移動(dòng)傳聲器陣列的穩(wěn)態(tài)聲源識(shí)別

李婧,張振京,黃震宇

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東250061）

移動(dòng)傳聲器陣列的穩(wěn)態(tài)聲源識(shí)別

李婧1,張振京2,黃震宇1

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東250061）

由于波束形成的傳聲器陣列聲源識(shí)別技術(shù)存在著識(shí)別低頻聲源的識(shí)別分辨率低、識(shí)別高頻聲源的識(shí)別易產(chǎn)生空間混疊等的問題，以致影響了聲源識(shí)別的準(zhǔn)確性。為此，對(duì)于穩(wěn)態(tài)聲源，提出兩種傳聲器陣列移動(dòng)方法，即改變傳聲器陣列中心位置、調(diào)整測(cè)量距離來提高低頻聲源識(shí)別分辨率，和采用旋轉(zhuǎn)傳聲器陣列進(jìn)行多次測(cè)量的方法來抑制高頻聲源識(shí)別中的空間混疊，從而達(dá)到使用較少傳聲器即可提高聲源識(shí)別性能的目的。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性。

聲學(xué)；波束形成；移動(dòng)傳聲器陣列；陣列分辨率；空間混疊

噪聲源的準(zhǔn)確識(shí)別和定位是有效實(shí)施噪聲控制的前提。基于傳聲器陣列的波束形成法是應(yīng)用最為廣泛的噪聲源定位技術(shù)[1]。

波束形成算法的聲源識(shí)別能力主要取決于傳聲器陣列的性能指標(biāo)，包括將兩個(gè)點(diǎn)聲源區(qū)分開來的最小距離的分辨率、和系統(tǒng)抑制虛假聲源能力的最大旁瓣級(jí)等。一般來說，較高的陣列性能意味著較大的傳聲器數(shù)量和相應(yīng)較高的采樣和分析數(shù)據(jù)量。因此，設(shè)計(jì)傳聲器陣列需要根據(jù)聲源辨識(shí)的指標(biāo)要求，采用盡可能數(shù)量少的傳聲器達(dá)到最佳識(shí)別效果。國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)傳聲器陣列性能做出了相應(yīng)分析和研究[1―4]，得出了圓陣與輪形陣列性能較優(yōu)且改進(jìn)的立體陣列優(yōu)于傳統(tǒng)平面陣列的結(jié)論；Bryden將旋轉(zhuǎn)傳聲器陣列運(yùn)用到水下聲源定位中[5,6]，使分辨率得到提高；Cigada等人提出具有一定轉(zhuǎn)速的傳聲器陣列能有效減少空間混疊[7]。但國(guó)內(nèi)關(guān)于移動(dòng)傳聲器陣列的研究相對(duì)來講還較欠缺。

本文從提高分辨率和抑制空間混疊兩個(gè)角度出發(fā)，提出兩種傳聲器陣列移動(dòng)方式，即移動(dòng)傳聲器位置和旋轉(zhuǎn)傳聲器陣列進(jìn)行多次測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)聲源定位性能的優(yōu)化，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的有效性。

1 移動(dòng)傳聲器陣列的選型

1.1 陣列參數(shù)比較

評(píng)價(jià)陣列定位性能的重要參數(shù)是陣列分辨率和最大旁瓣級(jí)。分辨率表示能將兩個(gè)點(diǎn)聲源區(qū)分開來的最小距離，其值越小則聲源識(shí)別效果越好。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則[1]，近場(chǎng)聲源識(shí)別中陣列分辨率為

其中θ為偏離陣列軸線的掃描角度，α為與陣列類型有關(guān)的陣列系數(shù)，如線性陣列取α=1，圓形陣列取α=1.22；z為傳聲器陣列平面與聚焦聲源平面的距離；D為陣列孔徑；c0為聲速；f為聲波頻率。

由式可知，對(duì)于類型和尺寸一定的陣列，其對(duì)于高頻段、近距離聲波具有較高的分辨率。且θ越小分辨率越高，當(dāng)聚焦方向偏離陣列軸線大于30°時(shí)，分辨率迅速降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，傳聲器陣列的開角范圍通常限制在30°之內(nèi)。由簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系得聚焦平面的平面直徑為

陣列分辨率不能大于聚焦平面的直徑，即R(θ)≤L，由此得到聲源識(shí)別的下限頻率[1]

其中d為陣列間距。

可見，移動(dòng)陣列設(shè)計(jì)參數(shù)包括陣列間距、陣列孔徑、陣列布局、傳聲器數(shù)量，它們決定了陣列可測(cè)信號(hào)頻率區(qū)間，影響了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

陣列的指向性函數(shù)可用來評(píng)價(jià)陣列性能，其構(gòu)成的幾何圖形為波束圖。最大旁瓣級(jí)定義為陣列指向性函數(shù)中最大旁瓣與主瓣幅度的比值，其反映了系統(tǒng)抑制虛假聲源的能力。

下面通過分析目前常用的規(guī)則陣列和不規(guī)則陣列的主瓣和最大旁瓣級(jí)來決定移動(dòng)傳聲器陣列的選型。其中主瓣寬度反映了分辨率的大小，主瓣越窄，分辨率越小，聲源識(shí)別效果越好。

規(guī)則陣列主要有十字陣列、網(wǎng)格陣列，由于在相同間距之間的不斷重復(fù)采樣，規(guī)則陣列易產(chǎn)生空間混疊，嚴(yán)重的空間混疊將導(dǎo)致虛影的產(chǎn)生，使得實(shí)際聲源的識(shí)別變得困難。不規(guī)則陣列可有效避免空間混疊現(xiàn)象的產(chǎn)生，它主要包括隨機(jī)陣列、B&K公司

由空間采樣定理得到聲源識(shí)別的上限頻率[1]：設(shè)計(jì)的輪形陣列以及旋轉(zhuǎn)輪形陣列[1]。

現(xiàn)選取十字、網(wǎng)格、旋轉(zhuǎn)輪形陣列進(jìn)行研究，設(shè)陣列孔徑均為1 m，得到波束圖如圖1所示，計(jì)算得到設(shè)計(jì)參數(shù)及性能參數(shù)如表1所示。分析圖1和表1可知，網(wǎng)格陣列的旁瓣很小，聚焦性能良好，這與其數(shù)量龐大的傳聲器有很大聯(lián)系，但這在實(shí)際情況中通常難以滿足。十字陣列所需的傳聲器數(shù)量相對(duì)較少，但缺點(diǎn)為旁瓣較大。旋轉(zhuǎn)輪形陣列的最大旁瓣級(jí)最小，指向性最好，這證明其抑制虛假聲源的能力更高。因此，移動(dòng)傳聲器陣列的選型結(jié)論為旋轉(zhuǎn)輪形陣列。

表1 陣列設(shè)計(jì)參數(shù)及性能參數(shù)

1.2 仿真模型與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

建立聲源識(shí)別仿真模型，傳聲器陣列所在平面為測(cè)量面，在距離聲源很近的平面構(gòu)造一個(gè)聚焦重建面，大小為2×2 m。旋轉(zhuǎn)輪形陣列間距d為0.12 m，陣列孔徑D約為0.84 m，共由24個(gè)傳聲器構(gòu)成，如圖2所示。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以兩個(gè)單頻音箱為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)在環(huán)境空曠的房間內(nèi)進(jìn)行，

其長(zhǎng)×寬×高為12 m×7.5 m×3 m，傳聲器陣列系統(tǒng)由BSWA MPA 416組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI 6255。

聲源系統(tǒng)為單頻聲音文件，由計(jì)算機(jī)的聲卡發(fā)聲，并驅(qū)動(dòng)音箱發(fā)聲，形成單頻的穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，然后傳聲器陣列接收到的聲音經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并由Labview開發(fā)的多通道信號(hào)采集軟件處理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即波束形成算法處理,實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

2 提高分辨率

假設(shè)空間中存在兩個(gè)聲源，聲源1：f=1 500 Hz，坐標(biāo)(0，0)；聲源2：f=500 Hz，坐標(biāo)(0.4，0.2)，測(cè)量距離z=1.5 m，傳聲器陣列中心坐標(biāo)為(0，0)，由式得到下限頻率fL≈430 Hz，重建效果如圖4(a)所示，由于聲源2的頻率接近陣列可測(cè)聲源的下限頻率，陣列分辨率很低。

圖1 陣列排布及其波束圖

由式可知，若要提高分辨率，可從改變偏離陣列軸線的掃描角度θ和測(cè)量距離z入手。首先，將測(cè)量距離減小，令z=0.7 m，得到圖4(b)，

其分辨率相較于圖4(a)的結(jié)果有所提高，在此基礎(chǔ)上再傳聲器中心移至坐標(biāo)（0.3，0）處，其它條件不變，重建效果圖如圖4(c)，此時(shí)陣列的分辨率顯著提高，聲源1和聲源2可被清晰分辨開來。

因此，在實(shí)際測(cè)量中，可采用“多次對(duì)焦”的方法，首先粗略確定聲源位置，再針對(duì)感興趣的聲源調(diào)整傳聲器陣列位置并縮短測(cè)量距離，從而達(dá)到提高分辨率，優(yōu)化定位性能的效果。

3 抑制空間混疊

減小傳聲器陣列間距d可防止空間混疊，但由式可知，若d減小，在不影響分辨率的情況下，不能減小陣列孔徑D，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致傳聲器數(shù)量的增加，違背了控制成本的目的。下面介紹一種旋轉(zhuǎn)傳聲器陣列多次測(cè)量的方法，陣列是由16個(gè)傳聲器組成的旋轉(zhuǎn)輪形陣，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可以有效抑制空間混疊。

圖4 不同陣列位置的聲源重建效果圖

假設(shè)空間中存在一個(gè)聲源，f=4 500 Hz，坐標(biāo)(0，0)。由式得上限頻率fU≈2 800 Hz，可見此時(shí)聲源頻率遠(yuǎn)大于此值，重建效果圖中出現(xiàn)很多虛影，如圖5(a)所示。圖5(b)為24元旋轉(zhuǎn)輪形陣列識(shí)別效果，可見增加少量陣元對(duì)虛影的抑制效果不明顯。

現(xiàn)將陣列繞中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行三次測(cè)量，且在陣列中心增加一個(gè)傳聲器，其位置固定，接收信號(hào)作為參考信號(hào)。這種方法在無形中“增加”了傳聲器數(shù)量，

圖2 仿真模型與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

圖5 靜止陣列聲源重建效果圖

在傳聲器數(shù)量有限的情況下可有效抑制虛假聲源，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。但由于旋轉(zhuǎn)陣列增加了測(cè)量時(shí)間，故本方法適用于穩(wěn)定聲源的識(shí)別。

從圖6可以看出，旋轉(zhuǎn)后重建效果圖上虛影減少，空間混疊得到有效抑制，證明了此方法在防止虛假聲源的干擾上具有明顯的效果。從理論上說，旋轉(zhuǎn)次數(shù)越多，定位性能越好，但增加測(cè)量次數(shù)必然導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間的增加，這對(duì)聲源穩(wěn)定性要求更高。與圖5(b)中24個(gè)靜止傳聲器陣元測(cè)量的重建效果圖相比較，可見旋轉(zhuǎn)陣列多次測(cè)量能夠有效控制成本。

圖6 旋轉(zhuǎn)陣列多次測(cè)量聲源重建效果圖

4 結(jié)語

本文針對(duì)波束形成法在低頻率聲源定位中的低分辨率和在高頻率聲源定位中的空間混疊問題介紹了一種改善方法，提出移動(dòng)傳聲器陣列來改善定位性能的方法，即通過改變傳聲器陣列位置和測(cè)量距離來改善分辨率以及通過旋轉(zhuǎn)傳聲器陣列進(jìn)行多次測(cè)量來抑制空間混疊，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。該優(yōu)化方法只針對(duì)穩(wěn)態(tài)聲源，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)聲源的定位優(yōu)化還有待研究。

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Identification of Steady Sound Source Using Moving M icrophoneArray

LI Jing1,ZHANG Zhen-jing2,HUANG Zhen-yu1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shan Dong University，Shandong 250061,China)

The main disadvantages of beam form ing technique are the poor spatial resolution at low frequencies,and the spatial aliasing at high frequencies,which will lead to the identification of false sources.This paper introduces two kinds of microphone-array moving methods for identification of steady sound sources.One is to change the position of the m icrophone array center and adjust the measurement distance to improve the resolution in low-frequency sound source identification.And the other is to rotate the array for multiple measurements to suppress the spatial aliasing in highfrequency sound source identification so as to achieve the goal of using less m icrophones to improve the performance of the sound source identification.The effectiveness of this method is verified by simulation and experiment.

acoustics;beam form ing;moving m icrophone array;spatial resolution;spatial aliasing

TB5；TB532

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.035

1006-1355(2014)01-0155-05

2013-01-31

李婧（1989-），女，湖南株洲人，碩士研究生，研究方向?yàn)槁曉醋R(shí)別。

E-mail:lj1989@sjtu.edu.cn