雙傳聲器方法及其性能研究范文

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《西北工業大學學報》2016年第一期

摘要:

針對艙室空間中背景噪聲和混響對傳統聲源定位算法的影響較大，以及所需陣列和算法復雜等問題，給出了一種基于雙通道空間脈沖響應匹配的聲源定位方法。利用該方法在實際房間中進行了聲源定位實驗，考察了不同尺寸發聲裝置、不同信噪比、不同混響條件下的定位性能。結果表明，在滿足輻射聲能要求的情況下，幾種發聲裝置都具有很高的定位準確性，但尺寸越小，對應的誤差范圍也越小，即空間分辨率越高;在信噪比大于2dB時，普通房間中的空間分辨率可達最小15cm;該方法的定位精度受空間內部混響程度的影響較小;當聲源緩慢移動時，該方法也具有良好的定位效果。

關鍵詞:

聲學;算法;波束形成;艙室;實驗設計;誤差;流程圖;傅里葉變換;網格生成;混響;原理圖;傳聲器陣列;信噪比;發聲裝置;艙室空間;脈沖響應;匹配;聲源定位

艙室空間內部聲源定位是聲學定位研究中的一項難題，同時也是一項應用需求廣泛的技術，如飛機艙室噪聲源定位，會議室智能話筒傳音控制系統，車載電話系統，以及各種室內聲學跟蹤或監控系統。封閉空間的主要特點是結構復雜、混響程度較高，小尺度空間常常還有聲波干涉、衍射效應，這對聲源定位技術的精度和穩定性都提出了更高的要求。目前，常用的封閉空間聲源定位方法有基于麥克風陣列的方法和基于雙耳聽覺機理的雙傳聲器方法。前者主要包括可控波束形成，高分辨率譜估計以及到達時間差。這些方法及其不斷更新的算法與特定的傳聲器陣列結合，可獲得良好的定位精度［1－3］，因而已在大區域開放式環境中得到了廣泛的應用。但是這些方法存在算法復雜、陣型需專門設計、經濟成本較高以及在封閉空間中容易受到噪聲和混響的影響等問題［4－8］，因此往往難以直接應用于中小尺度的艙室空間。針對上述問題，本文提出了一種新的封閉空間聲源定位方法，即基于雙通道空間脈沖響應匹配的聲源定位方法，并通過實際房間中的定位實驗，對其可行性及主要影響因素進行分析和研究。

1基于空間脈沖響應匹配的聲源定位方法

1．1基本原理聲場空間脈沖響應(SIR)是指聲場中接收位置收到的由脈沖聲源輻射的信號序列。同一房間內，當聲源與接收點的位置固定時，可以認為二者之間的傳播通道是唯一的，即脈沖響應是唯一的確定函數，它包含了封閉聲場的所有聲學特性，可以準確地反映聲學環境(方向、距離、空間感等)［9］。SIR由直達聲、前次反射聲和混響聲組成［10］，其形成過程和結果分別如圖1和圖2所示。目前對空間脈沖響應的研究主要在脈沖響應的測量方法，室內和雙耳脈沖響應的模擬，脈沖響應各階段的分析，音樂廳等的音質評估和設計等方面。如果事先能夠通過計算或測量獲得該聲場中任意聲源位置到接收點的SIR，則可通過雙傳聲器接收的信號計算得到聲源至2個傳聲器通道響應之間的相互關系，再與數據庫里的各個采樣聲源對應的參數進行比對，即可確定真實聲源的位置。

1．2算法設計基于上述原理，具體算法設計如下:設未知聲源S發射的信號s(t)為單頻信號，hα、hβ分別為未知聲源S到雙傳聲器的空間脈沖響應，忽略本底噪聲的影響。

2實驗方案設計

選取一個普通房間(如圖3所示)。建立數據庫時聲源分布網格如圖4所示，所有網格處于相同的高度。脈沖響應采樣裝置和聲源定位測試裝置連接圖如圖5所示。在房間內均勻劃分m×m=n個網格，網格間距為d。房間大小為8．3m×5．5m×3．8m。信噪比大約為5dB。兩傳聲器分別位于Rα(4．2，4，3．6)，Rβ(5．3，2．8，3．6)處。采樣時用圖5里的采樣裝置，聲源高度固定，利用DIRAC測量系統得到聲源到雙傳聲器的脈沖響應并存入數據庫。定位時用圖5里的實測裝置，測試聲源采用時長約2s的信號，在每個網格中心進行5次重復定位，結果出現最多的位置即認為是未知聲源的位置，定位流程如圖6所示。

3實驗結果及分析

3．1不同尺寸發聲裝置的定位誤差研究在圖3所示的房間中按圖6中的實驗步驟進行實驗驗證。n取100，分別采用直徑為50cm的球形聲源，直徑為14cm的揚聲器和直徑為7cm的揚聲器作為發聲裝置，受到聲源尺寸的限制，網格劃分間隔(對應于空間分辨率)也有所不同，統計所得的100個網格的定位實驗結果見表1。由表1可以看出，發聲裝置的尺寸越小，空間分辨率越高，因為發聲裝置本身占據一定的空間，當其尺寸足夠小，可認為是點聲源時，空間分辨率可達到最高。不過，幾種情況下的定位準確率都維持在很高的水平。

3．2混響環境下的定位性能研究為了進一步探討不同混響程度下的定位準確率，分別在混響時間T60=0．438s、1．769s、4．373s的消聲室、1號普通房間以及2號普通房間中進行定位實驗，所有房間劃分網格數n均取25，網格間距d均取20cm，發聲裝置采用直徑14cm的揚聲器，對25個位置重復定位125次，統計得到的定位準確率均為100%。這表明，在不同的混響環境中，該方法均具有較高的定位準確率，即受混響影響小。

3．3不同信噪比條件下的定位性能研究網格數n均取25，網格間距d均取20cm，發聲裝置采用直徑14cm的揚聲器，實驗房間如圖6所示。通過在傳聲器附近播放白噪聲和改變測試聲源的音量來獲得不同的信噪比SNR，分別選取SNR約為0dB、1dB、2dB、3dB、4dB、5dB、6dB時按圖6所示的實驗步驟進行實驗，得到不同信噪比下25個網格的定位準確率如圖7所示。從圖7可以看出，背景噪聲對該方法影響顯著，當信噪比低于2dB時，因不滿足輻射聲能的要求，定位準確率不到10%，信噪比高于2dB后，定位準確率均超過90%。這表明，該方法在信噪比滿足一定的數值時可以維持很高的定位精度。

3．4緩慢移動聲源的定位研究室內環境中的聲源一般移動緩慢，可以忽略多普勒效應。仍然在圖3所示的房間內進行實驗，聲源以50cm/s的速度按不同路線移動，其中1條移動軌跡如圖8所示。表2給出了按2種不同路線移動時統計的定位結果。結合圖8和表2結果可以看出，當聲源緩慢移動時，跟蹤定位結果準確率為100%，說明該方法在聲源緩慢移動的情況下也可以獲得很高的定位準確率。

4結論

本文基于空間中聲源到接收點脈沖響應的唯一性，提出了一種新的艙室聲源定位方法，即基于雙通道空間脈沖響應匹配的聲源定位方法，并研究了該方法的空間分辨率以及不同的混響、信噪比和聲源移動情況下的定位準確率。該方法計算量小，兼容性高，應用前景廣泛。

作者：曾向陽 馬慧穎 王海濤 單位： 西北工業大學 航海學院