一种用于舱室声源定位的双传声器方法及其性能研究

曾向阳，马慧颖，王海涛

(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072)

一种用于舱室声源定位的双传声器方法及其性能研究

曾向阳，马慧颖，王海涛

(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072)

针对舱室空间中背景噪声和混响对传统声源定位算法的影响较大，以及所需阵列和算法复杂等问题，给出了一种基于双通道空间脉冲响应匹配的声源定位方法。利用该方法在实际房间中进行了声源定位实验，考察了不同尺寸发声装置、不同信噪比、不同混响条件下的定位性能。结果表明，在满足辐射声能要求的情况下，几种发声装置都具有很高的定位准确性，但尺寸越小，对应的误差范围也越小，即空间分辨率越高；在信噪比大于2 dB时，普通房间中的空间分辨率可达最小15 cm；该方法的定位精度受空间内部混响程度的影响较小；当声源缓慢移动时，该方法也具有良好的定位效果。

声学；算法；波束形成；舱室；实验设计；误差；流程图；傅里叶变换；网格生成；混响；原理图；传声器阵列；信噪比；发声装置；舱室空间；脉冲响应；匹配；声源定位

舱室空间内部声源定位是声学定位研究中的一项难题，同时也是一项应用需求广泛的技术，如飞机舱室噪声源定位，会议室智能话筒传音控制系统，车载电话系统，以及各种室内声学跟踪或监控系统。封闭空间的主要特点是结构复杂、混响程度较高，小尺度空间常常还有声波干涉、衍射效应，这对声源定位技术的精度和稳定性都提出了更高的要求。

目前，常用的封闭空间声源定位方法有基于麦克风阵列的方法和基于双耳听觉机理的双传声器方法。前者主要包括可控波束形成，高分辨率谱估计以及到达时间差。这些方法及其不断更新的算法与特定的传声器阵列结合，可获得良好的定位精度［1－3］，因而已在大区域开放式环境中得到了广泛的应用。但是这些方法存在算法复杂、阵型需专门设计、经济成本较高以及在封闭空间中容易受到噪声和混响的影响等问题［4－8］，因此往往难以直接应用于中小尺度的舱室空间。

针对上述问题，本文提出了一种新的封闭空间声源定位方法，即基于双通道空间脉冲响应匹配的声源定位方法，并通过实际房间中的定位实验，对其可行性及主要影响因素进行分析和研究。

1　基于空间脉冲响应匹配的声源定位方法

1.1基本原理

声场空间脉冲响应(SIR)是指声场中接收位置收到的由脉冲声源辐射的信号序列。同一房间内，当声源与接收点的位置固定时，可以认为二者之间的传播通道是唯一的，即脉冲响应是唯一的确定函数，它包含了封闭声场的所有声学特性，可以准确地反映声学环境(方向、距离、空间感等)［9］。SIR由直达声、前次反射声和混响声组成［10］，其形成过程和结果分别如图1和图2所示。目前对空间脉冲响应的研究主要在脉冲响应的测量方法，室内和双耳脉冲响应的模拟，脉冲响应各阶段的分析，音乐厅等的音质评估和设计等方面。

如果事先能够通过计算或测量获得该声场中任意声源位置到接收点的SIR，则可通过双传声器接收的信号计算得到声源至2个传声器通道响应之间的相互关系，再与数据库里的各个采样声源对应的参数进行比对，即可确定真实声源的位置。

图1　空间脉冲响应的形成过程

图2　空间脉冲响应

1.2算法设计

基于上述原理，具体算法设计如下：

设未知声源S发射的信号s(t)为单频信号，hα、hβ分别为未知声源S到双传声器的空间脉冲响应，忽略本底噪声的影响，则双传声器接收到的信号分别为

对(1)式和(2)式进行傅里叶变换得

f为声源信号的频率。由于声源信号s(t)未知，为消去其影响，用(3)式除以(4)式，得

从(5)式可以看出，实际定位时并不需要知道声源信号s(t)，而只需知道双通道传递函数的比例关系。

将Φ，Ψ作互相关运算，即

将基于实测声信号计算得到的Φ与数据库中的所有Ψ作互相关，计算出R1，R2，…，Rn，找出相关系数最大的1组数据Ri，其中位置编号定义为：

2　实验方案设计

选取一个普通房间(如图3所示)。

图3　实验房间

建立数据库时声源分布网格如图4所示，所有网格处于相同的高度。脉冲响应采样装置和声源定位测试装置连接图如图5所示。在房间内均匀划分m×m＝n个网格，网格间距为d。房间大小为8.3 m× 5.5 m×3.8 m。信噪比大约为5 dB。两传声器分别位于Rα(4.2，4，3.6)，Rβ(5.3，2.8，3.6)处。采样时用图5里的采样装置，声源高度固定，利用DIRAC测量系统得到声源到双传声器的脉冲响应并存入数据库。定位时用图5里的实测装置，测试声源采用时长约2 s的信号，在每个网格中心进行5次重复定位，结果出现最多的位置即认为是未知声源的位置，定位流程如图6所示。

图4　实验房间示意图

图5　实验装置图

图6　定位流程图

3　实验结果及分析

3.1不同尺寸发声装置的定位误差研究

在图3所示的房间中按图6中的实验步骤进行实验验证。n取100，分别采用直径为50 cm的球形声源，直径为14 cm的扬声器和直径为7 cm的扬声器作为发声装置，受到声源尺寸的限制，网格划分间隔(对应于空间分辨率)也有所不同，统计所得的100个网格的定位实验结果见表1。

表1　不同发声装置的空间分辨率和定位准确率

由表1可以看出，发声装置的尺寸越小，空间分辨率越高，因为发声装置本身占据一定的空间，当其尺寸足够小，可认为是点声源时，空间分辨率可达到最高。不过，几种情况下的定位准确率都维持在很高的水平。

3.2混响环境下的定位性能研究

为了进一步探讨不同混响程度下的定位准确率，分别在混响时间T60＝0.438 s、1.769 s、4.373 s的消声室、1号普通房间以及2号普通房间中进行定位实验，所有房间划分网格数n均取25，网格间距d均取20 cm，发声装置采用直径14 cm的扬声器，对25个位置重复定位125次，统计得到的定位准确率均为100%。这表明，在不同的混响环境中，该方法均具有较高的定位准确率，即受混响影响小。

3.3不同信噪比条件下的定位性能研究

网格数n均取25，网格间距d均取20 cm，发声装置采用直径14 cm的扬声器，实验房间如图6所示。通过在传声器附近播放白噪声和改变测试声源的音量来获得不同的信噪比SNR，分别选取SNR约为0 dB、1 dB、2 dB、3 dB、4 dB、5 dB、6 dB时按图6所示的实验步骤进行实验，得到不同信噪比下25个网格的定位准确率如图7所示。

图7　不同信噪比下的定位准确率

从图7可以看出，背景噪声对该方法影响显著，当信噪比低于2 dB时，因不满足辐射声能的要求，定位准确率不到10%，信噪比高于2 dB后，定位准确率均超过90%。这表明，该方法在信噪比满足一定的数值时可以维持很高的定位精度。

3.4缓慢移动声源的定位研究

室内环境中的声源一般移动缓慢，可以忽略多普勒效应。仍然在图3所示的房间内进行实验，声源以50 cm/s的速度按不同路线移动，其中1条移动轨迹如图8所示。表2给出了按2种不同路线移动时统计的定位结果。

图8　采样点及声源移动路线示意图

表2　声源移动时的定位结果

结合图8和表2结果可以看出，当声源缓慢移动时，跟踪定位结果准确率为100%，说明该方法在声源缓慢移动的情况下也可以获得很高的定位准确率。

4　结 论

本文基于空间中声源到接收点脉冲响应的唯一性，提出了一种新的舱室声源定位方法，即基于双通道空间脉冲响应匹配的声源定位方法，并研究了该方法的空间分辨率以及不同的混响、信噪比和声源移动情况下的定位准确率。该方法计算量小，兼容性高，应用前景广泛。

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A Novel Dual MicroPhones Method and its Performance for Sound Source Localization in Cabins

Zeng Xiangyang，Ma Huiying，Wang Haitao
(College of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China)

For sound source localization in cabin spaces，the ambient noise and reverberation have significant impact on traditional source localization algorithms and these algorithms and the array are usually complex.Therefore， we proposed a source localization method based on dual－channel spatial impulse response matching.A series of source localization experiments were carried out in a real room，and the performance of the method under different dimensions of sounding devices，SNR and reverberation were investigated.The results and their analysis show preliminarily that sound devices have high spatial resolution while satisfying the requirement of the radiated acoustic energy，and the smaller the size，the smaller is the error range which corresponds to higher spatial resolution；when the SNR is greater than 2 dB，spatial resolution in common room is 15 cm；spatial internal reverberation degree has a small effect on localization accuracy；when the sound source moves slowly，this method also has a good localization effect.

acoustics，algorithms，beamforming，cabins(aircraft)，design of experiments，errors，flowcharting， Fourier transforms，mesh generation，reverberation，schematic diagrams，sensor arrays，signal to noise ratio，sounding apparatus；cabin spaces，impulse response，match，source localization

O429

A

1000-2758(2016)02-0189-05

2015-10-22基金项目：国家自然科学基金(A040504)资助

曾向阳(1974—)，西北工业大学教授、博士生导师，主要从事室内声学和声信号处理研究。