采用麥克風陣列的圖書館人為噪聲監測研究

關鍵詞：圖書館；人為噪聲；麥克風陣列；監測

摘要：圖書館的閱覽室、自習室是需要保持安靜氛圍的學習場所，但經常存在的聊天、喧嘩等人為噪聲嚴重影響了閱讀和自習的效果。由于空間大、開放時間長、讀者人數多，噪聲監測是圖書館管理的難點。麥克風陣列因其可以利用空間信息提高信號處理的性能，被廣泛應用于聲源定位、降低噪音及語音增強等領域。文章分析了將麥克風陣列技術引入圖書館閱覽室、自習室進行噪聲方位監測的可行性，并針對典型噪聲類型進行了麥克風陣列參數的優化設計，旨在實現對典型噪聲方位的實時可視化監測。

中圖分類號：G250文獻標識碼：A文章編號：1003-1588（2018）10-0131-03

1背景

各類高校圖書館、公共圖書館及社區圖書館的閱覽室和自習室是需要保持安靜氛圍的場所，但在實際開放中，時常存在少數讀者聊天、喧嘩、打電話等人為噪聲，嚴重干擾了閱讀和自習的效果。該類閱讀和學習場所空間大、開放時間長、讀者人數多，而管理人員又相對較少，因此，噪聲監測就成為圖書館管理的一個難點問題。肖紅等分析了圖書館噪聲對讀者的影響，卞慶詳等分析并提出采用崗位培訓、檢查監督、改善設施等控制和消除圖書館人為噪音的措施。劉石等基于ARM處理器研究了一種結合單麥克風噪聲監測、無線發射報警信號的圖書館噪聲無線監測系統，但該監測系統只能根據音量進行監測，無法給出噪聲源的具體方位信息，影響了進行提醒和警示的管理效率。麥克風陣列技術可以利用多個呈一定幾何陣列關系分布的麥克風獲取空間處理增益，從而達到獲取聲源方位，抑制背景噪聲，增強信號的效果，在視頻會議、智能家居、機器人等領域已獲得廣泛的應用。復旦大學孫放等人在廣義互相關算法的基礎上，設計了一組麥克風三維麥克風陣列利用迭代收縮優化算法精確定位目標源，陳磊等人提出了一種可同時獲得目標說話人方位的GSC改進語音增強方法。與上述工作面向的人機語音交互等應用相比，圖書館具有空間大等特點，這給麥克風陣列技術的應用帶來了困難。考慮到麥克風陣列技術的特點和圖書館學習、閱覽、自習等大空間場所人為噪聲監測的要求，筆者將麥克風陣列技術引入圖書館噪聲監測，利用麥克風陣列具有的聲源定位功能可以對圖書館場所內的噪聲進行實時獲取，并可采用燈光提示、管理員介入等方式進行提醒，從而達到提高讀者閱讀和學習效率的目的。

2麥克風陣列及其參數設計

2.1麥克風陣列技術簡介

麥克風陣列的陣型有多種樣式，不同的陣列拓撲結構系統對工作性能有著重要的影響。目前，常見的麥克風陣列拓撲結構有一維線性陣列、二維面陣和三維立體陣列。其中一維線性陣列的拓撲結構主要有均勻陣列、非均勻陣列和嵌套陣列。線性陣列是麥克風陣列拓撲結構中算法較為簡單、設置較為方便的一種，考慮到系統實現的方便性，筆者采用線性陣列進行設計。

考慮由N個麥克風組成的線性麥克風陣列，在假設麥克風各向同性的理想條件下，其中第n個麥克風（n=1，2，…，N）接收到信號可表示為：

χn（t）=αns（t-τn）+νn（t）（1）

其中αn為傳播衰減因子，τn為聲源到第n個麥克風的傳播時延，νn（t）為加性噪聲。則t時刻長度為L的信號向量：

Xn（t）=[xn（t），xn（t-1），…xn（t-L+1）]T （2）

其相應的頻譜表示為：Xn（f）=∑L-1k=0xn（t-k）e-2πjfkL，f=0，1，…，L-1，因此，頻域N個麥克風的接收信號矩陣表示為：X（f）=[X1（f），X2（f），…XN（f）]T。

則，在頻率f對對準方向θ獲得的波束形成輸出為：

Y（f，θ）=WH（f，θ）X（f）（3）

其中H為Hermitian轉置，WH（f，θ）為波束形成器對準方向θ對應的系數矩陣。則波束形成獲得的空間-功率譜分布表示為：

P（f，θ）=E[Y（f，θ）2]

=WH（k，θ）E[X（f，θ）XH（k，f）]W（f，θ）

=WH（f，θ）（f）W（f，θ）（4）

其中（f）為功率譜密度矩陣，E[ ]代表期望。對線性麥克風陣列而言，遠場條件下注視θ方向的波束形成系數為：

A（f，θ）=[1，e-j2πfdsin（θ）cL，…e-j2πfdsin（θ）（N-1）cL，]T（5）

其中c為空氣中聲速，取340m/s，d為陣元間距。對于SPR波束形成方法可獲得的空間-功率譜分布為：

PSRP（f，θ）=AH（f，θ）（f）A（f，θ）（6）

根據上述公式進行陣列信號處理可以獲得噪聲對應的空間分布信息，實現空間定位。

2.2系統參數設計

根據圖書館人為噪聲典型參數，筆者進行圖書館噪聲監測麥克風陣列參數設計。麥克風陣列間距d是一個重要參數，影響著聲源定位和麥克風聲音拾取的效果。通常情況下，麥克風陣列間距d的取值和陣列的空間分辨力成正比，d值越大，陣列的空間分辨力越強。但d也不能無限大，它有一個理論范圍，d通常等于輸入信號的波長的一半。由于在較短的時間（10-30ms）內可近似認為語音具備短時平穩特性，從而可對語音信號進行短時譜分析處理，人為噪聲主要能量的頻率范圍約在300-3400HZ之間，則有：

d=λ2=c2f（7）

式中λ是信號波長， f為信號頻率，本文取300-3000HZ；因此有：c2fmax<_ d<_ c2fmin，可得陣列設計間距為0.25m。

3實驗

3.1實驗設置

本文采用的實驗場地為某高校大廳，大廳具有較大空間，面積為548平方米，房間混響時間T60用賽賓公式近似估算約為2.4s。根據上文進行的優化設計，本文采用的麥克風陣列系統參數為：8元直線麥克風陣列，陣元間距0.25m，并采用基于STM32F407嵌入式系統的8通道采集系統進行信號采集，采集后輸入計算機進行分析顯示（見圖1），信號采樣率為16kHz，量化位數為24bit。本文采用的SRP波束形成器設置的頻率范圍為500Hz-5KHz，處理窗長為1，024點。實驗以音箱播放語音信號作為模擬人為噪聲的測試信號，播放模擬人為噪聲的音箱距離麥克風陣列距離為5米。模擬人為噪聲的播放音量設置為相當于正常對話音量的70dB（a）聲壓級，采用麥克風陣列進行信號采集、處理及方位顯示。圖2為實驗測試信號及其聲譜圖，從圖2可以看出圖書館典型干擾噪聲的語音頻譜分布特點，同時設置由500Hz-4KHz的掃頻信號用于測量實驗環境的房間傳輸響應。

胡海云：采用麥克風陣列的圖書館人為噪聲監測研究

3.2實驗結果

筆者將系統陣列中單麥克風采集獲得的掃頻信號進行相關分析，可以得到測試房間的房間傳輸響應（見圖3）。從圖3可以看出，在20-40ms區域存在幾處較為明顯的早期混響成分，測試環境屬于較為典型的具有混響特性的室內結構。

圖4所示為模擬人為噪聲分別處于45度和135度時，在采樣率帶寬內麥克風陣列系統獲得的能量-方位分布。從圖4可以看出，在45度和135度對應噪聲方向呈現明顯的波束，波束的尖銳程度反映了噪聲相對于背景的相對強度信息。實驗結果表明，系統具備在較大空間內對噪聲源的檢測及方位估計能力，從而可實現提醒設置、圖像化顯示等方位信息輸出，提高了圖書館人為噪聲管控的效率。

在實際場景中可能同時存在多處人為噪聲的情況，為了評估系統對同時出現多處干擾噪聲時的監測性能，實驗采用2個音箱同時播放模擬人為噪聲的測試語音。圖5給出了對兩處同時出現的模擬人為噪聲的監測輸出，可以看出在兩處對應角度均出現了明顯的波束。實驗結果表明，麥克風陣列噪聲監測系統具備對同時出現兩處模擬人為噪聲進行方位監測的性能。

4結語

針對圖書館閱覽室、自習室等大空間場所存在的人為噪聲干擾問題，筆者將麥克風陣列技術引入圖書館人為噪聲方位監測，根據典型人為噪聲參數特性進行麥克風陣列參數優化設計，并構建了實驗系統。實測實驗結果表明，該系統可有效對模擬人為噪聲進行方位監測并實現可視化的輸出和記錄。該系統結合設置燈光預警、管理員介入提醒等防治措施，可以在空間大、開放時間長、讀者多、管理員少的情況下進行圖書館人為噪聲的自動監測和管控，從而提高讀者的閱讀效率。

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