球形传声器阵列下基于主导声源检测MUSIC群时延算法的多声源定位*

针对混响环境中,多径效应、散射、衍射等原因导致声源定位失败或分辨能力不足的现象,提出一种基于主导声源检测MUSIC群时延的邻近多声源定位方法。该方法采用球形传声器阵列,相比平面阵列可以捕获3D声场信息,利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势,从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号而不需要构造聚焦矩阵,并在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测,从而选择出包含直达声的一组时频块来构造MUSIC群时延空间谱。上述举措在提升波达方向估计在高混响环境下定位鲁棒性的同时,也提高了多个邻近声源的分辨能力。仿真实验结果表明,所提出的主导声源检测MUSIC群时延算法,在高混响和低信噪比条件下,仍具有更好的定位精度与更优的邻近多声源分辨效果。     

混响室内声源的声功率输出及声强分布

本文讨论了混响室内的声强分布,指出混响室内声强分布与自由场一样,对点声源服从平方反比律。对混响室及消声室的声压及声强随时间的起伏作了初步摸索,得到了几条实验规律,指出声强起伏比声压起伏更大。采用声强测量方法对同—声源在消声室及混响室内的声功率输出作了测量,说明声源的声功率输出是随环境变化的声学量,在混响室内声源的低频发射要比消声室内的发射要低。     

差分传声器阵列期望最大化多声源方位估计方法

针对小尺寸传声器阵列多声源方位估计易受混响噪声影响的问题,提出了一种适用于差分传声器阵列的期望最大化多声源方位估计方法。首先,该方法利用期望最大化算法求解出各个时频点瞬时方位估计所应满足的高斯混合模型参数;然后,通过时频点分离技术估计出各声源的方位值。针对现有的硬、软时频点分离技术应用于差分传声器阵列所存在的缺陷,还提出了一种改进的时频点分离方法,该方法融合了软、硬分离方法所具有的优点,有效降低了时频点分离结果对混响噪声的敏感性。仿真和实测实验结果表明:相较于现有的差分传声器阵列多声源估计方法,所提方法在混响噪声环境下具有更高的估计精度和稳健性能。      

球谐域自适应混响抵消与声源定位算法

提出了一种基于球谐域的自适应混响抵消与声源定位算法,该方法通过去混响处理改善语音质量,并提高球谐域定位算法在混响环境下的定位性能。推导了基于多通道线性预测的自适应混响抵消算法在球谐域的表达式,针对刚球模型提出分阶处理的去混响方法,并对去混响后的信号进行波达方向估计。采用32元球阵的仿真结果表明,相比于球谐域不分阶去混响方法,该方法最大可减少约2/3的运算量,同时语音PESQ得分及SRMR均显著提高。利用实验数据对算法性能进行测试,实验结果验证了该方法在实际声学环境中去混响和声源定位的有效性。      

线阵声强缩放方法在水下声源辐射功率估算中的应用

为了解决水下声源辐射声功率难以计算的问题,利用线阵声强缩放方法在波束形成声源识别的基础上,根据波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系来获得相应的声功率。为了提高线阵声强缩放方法的水下声功率估算精度,给出了一定动态范围限制的主瓣区域积分方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。在消声水池中开展了水下声功率估算的实验研究。在不同的测试距离下,对双声源条件下的单频以及宽带声源在阵列侧的辐射声功率进行了估算,以混响法的测量结果为参考值,研究了估算误差随声源频率、测试距离等影响因素的变化规律。实验结果表明,无论是单频还是宽带声源,声功率的最大估算误差不超过2.6 dB,在高频时不超过1.6 dB。验证了线阵声强缩放方法应用于水下声源辐射声功率估算的正确性与可行性。      

一种利用分布式传声器阵列的声源三维定位方法

为了提高噪声和混响条件下分布式传声器阵列进行声源定位的性能,提出一种利用空间稀疏性和压缩感知原理的声源三维定位方法。该方法首先通过两次离散余弦变换方式提取出声音信号特征,并用该特征来构建稀疏定位模型,以便能够综合利用语音信号的短时和长时特性,同时降低模型维数;然后利用在线字典学习技术动态调整字典,克服稀疏模型与实际信号之间的失配问题,增强稀疏定位模型的鲁棒性;进而提出一种改进的平滑l₀范数稀疏重构算法来进行声源位置解算,以提高低信噪比条件下的重构精度。仿真结果表明该方法不仅可以实现多目标定位,而且具有较强的抗噪声和抗混响能力.      

使用同心多环阵提升声源定位鲁棒性*

房间混响带来的多径失真是影响声源波达方向估计精度的主要因素之一。应用于环形阵列的相干信号子空间方法可以降低相干反射声带来的不利影响。该方法对环形阵进行谐波展开,并利用环谐波域导向矢量的频率无关特性聚焦各频率下的空间相关矩阵。但单环阵列存在展开系数零点,这会导致严重的噪声放大而降低定位的鲁棒性。该文提出了一种环谐波域的最小模同心多环阵,来缓解系数零点处的噪声放大问题。设计了一套麦克风阵列系统,用于评估同心多环阵列定位的鲁棒性。仿真和实验结果均表明:与相同孔径和阵元数的单环阵相比,使用最小模准则设计的同心多环阵列可以显著提升混响场景下的声源定位的稳健性。     

基于波束形成缩放声强的声源局部声功率计算

基于波束形成法识别噪声源时,为计算主要噪声源的辐射声功率,给出了基于平面波模型的声强缩放方法,模拟计算了单极子点声源局部声功率的计算误差,结果显示:当阵列平面与声源计算平面间距离等于阵列直径时,基于波束形成缩放声强计算的声功率误差仅略高于0.1 dB。为克服旁瓣干扰,给出了具有一定动态范围的声源计算平面积分法,模拟计算了单极子点声源的局部声功率,结果表明:该积分法的计算值与主瓣区域积分法的计算值近似相等,均约等于理论声功率。进一步,波束形成法与声强法的对比算例试验验证了基于波束形成缩放声强计算声源局部声功率方法的有效性。      

基于声强差效应的声源定位系统演示仪

介绍一种基于声强差效应进行设计的声源定位系统,以STM8单片机为数据处理核心,有源蜂鸣器组成近场声源模块。通过演示对近场声源的实时定位,解决了原有定位技术的对近场声源跟踪不连续的问题,使声源定位这一技术更加实用化、可视化。     

线阵波束形成声强缩放方法估算声源的辐射声功率

为了解决波束形成声源识别过程中声源辐射声功率定量计算的问题,给出了阵型简洁、便于组合的线阵声强缩放模型。通过推导线阵的声强缩放系数,建立起线阵波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系。无论是线阵还是平面阵的声强缩放方法,对于偏离阵列中心位置较远处的声源进行辐射声功率估算时都存在较为明显的误差。通过理论推导和仿真模拟计算,研究了同一单极子点声源在不同位置处的声功率估算偏差随频率、幅度的变化规律,发现该估算偏差只与声源偏离位置有关,而与声源自身的强度信息无关的结论,据此给出了相应的声功率估算修正方法。半消声室实验结果和声压法测量结果对比表明:修正后的线阵声强缩放方法用于中高频声源的辐射声功率计算时,单频声源的估算误差不超过1.0 dB,宽带声源的估算误差不超过1.8 dB。      

深海中利用单水听器的影区声源无源测距测深方法

在典型深海情况下当声源与接收水听器位于海水表层时,在影区内由声源海底接收器、声源海面海底接收器、声源海底海面接收器和声源海面海底海面接收器4条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,随着收发距离的增加而增大,分别随着声源深度、接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现宽带声源目标的无源测距测深,仿真分析验证了其有效性。在南海深海声学实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区所形成的声场干涉结构,数据分析结果验证了深海声场干涉结构用于声源无源定位的有效性。与传统无源定位方法相比,该方法不需要宽带引导声源、精确的海底声学参数和大规模的拷贝场计算。      

浅海舰船噪声声强流的垂直方向性

浅海环境中,确定性声源的多途声信号干涉使得接收点处声强流的方向发生改变,不再与声源位置处的声强流方向一致。只测量声场的标量声强时,无法得到接收点处声强流的垂直方向性,而基于简正波矢量场建模和仿真,可获得理想条件下宽带点声源激发声场声强流的垂直方向性。本文采用单矢量水听器进行海上实验,获得了海洋环境噪声和干扰条件下舰船噪声声强流的垂直方向性。仿真和实验结果表明:远场条件下,浅海干涉现象引起接收点处声强流的方向(极角)随频率和距离变化,其时间-频率分布呈现与LOFAR谱干涉条纹相似的条纹,声强流的极角值主要分布在70?～110?范围内。     

室内声场简正波法的数值计算方法和混响场中声强测量的误差

简正波法是求解室内声场的一种较准确的数值计算方法，准确度由所取级数的项数而定，本文详细讨论了数值计算方法、级数的收敛性，并以图线来表明在声源点级数的发散及在声源附近计算的困难，本文还讨论声强测量的理论误差，用一般声强计在混响场中测量声强，误差是很大的，以致所得结果完全不可信任，如将传声器易位、前后两次测得的声强取平均，测量误差就可大大减小，若能采用精密仪器，使两个通道的相位差小于0.05°，则测量结果的统计误差可控制在合理范围内。     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

低复杂度的盲源分离和去混响联合优化方法

提出了一种低复杂度的基于加权预测误差(WPE)的独立低秩矩阵分析(ILRMA)方法。与现有的WPE-ILRMA方法把预测矩阵当成一个整体来处理不同,所提方法将预测矩阵展开来推导代价函数,利用不同声源的混合滤波器和分离滤波器之间的正交性简化代价函数的优化过程,进而以更低的计算复杂度对混合信号去混响。通过利用解耦预测矩阵和分离滤波器之间的关系,所提方法将维数较大的矩阵求逆转化为维数较小的矩阵求逆,从而取得了比WPE-ILMRA方法更低的计算复杂度。在最大似然框架下推导了所提方法的代价函数,并采用坐标梯度下降算法来估计参数。实验结果表明,所提方法能以更低的计算复杂度和更高的稳定性取得与WPE-ILRMA方法相似的分离性能。     

风成噪声背景下垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化规律

风成噪声是海洋中最广泛存在的环境噪声、是被动声纳处理性能的重要影响因素.它具有一个典型的物理性质是很大程度上只对应中高阶模态.阵列信噪比计入了阵列采样辐射声强、背景噪声功率和阵处理增益,是决定声纳阵列处理性能的关键物理量.本文研究了受风成噪声模态结构影响,典型夏季浅海环境中垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化关系.在简正波模深函数采样完整的假设条件下,理论证明了阵列信噪比随声源深度的变化可近似为低阶模态幅度强度(模深函数模值的平方)随深度变化的线性叠加,且模态阶数越低,贡献越大;并且,在强风成噪声背景、显著负梯度环境下该变化规律可由1阶模态幅度强度随深度的变化近似独立表征.以上结果表明,在同一声源距离条件下,声源置于水体下半部分时的阵列信噪比比置于海面附近更大,并且在位于1阶模态峰值点所在深度附近时达到最大.典型负声速梯度浅海环境中的仿真实验结果对理论分析进行了验证,并表明在一定条件下阵列信噪比随声源深度的变化与声源距离近似无关.     

基于稀疏表示和特征加权的离格双耳声源定位*

基于头相关传递函数数据库的传统双耳声源定位方法的定位角度往往被限定在头相关传递函数数据库的离散测量点上。当头相关传递函数数据库的测量方位角间隔较大时,这类算法的性能会显著下降,这就是典型的离格问题。该文提出了基于加权宽带稀疏贝叶斯学习的离格双耳声源定位算法。首先该算法建立离格双耳信号的稀疏表示模型,然后利用双耳相干与扩散能量比特征对各个频点进行加权以降低噪声和混响的影响,最后通过加权宽带稀疏贝叶斯学习方法估计离格声源的方位角。实验结果表明,该算法在各种复杂的声学环境下都有着较高的定位精度和鲁棒性,特别是提高了离格条件下的声源定位性能。     

高精度球面阵聚焦声源定位方法研究

提出了一种高精度高空间分辨率球面阵聚焦声源定位方法——虚拟源法。该方法通过球面阵波束扫描获得实际声源的空间聚焦谱,并假定各扫描点为虚拟声源,将实际声源聚焦谱看作是全体虚拟源共同作用的结果,由此得到各虚拟源对声场的贡献量,从而可实现声源精确定位。仿真研究分析了频率,阵列孔径,声场模态阶数,信噪比等参数对声源定位性能的影响,并与常规算法进行对比。结果显示,该方法不受频率和阵列孔径的限制,避免了空间“混淆”,能够进行高精度高分辨率声源定位,并具有良好的背景噪声抑制能力。      

水下爆炸声源辅助声呐系统的目标定位和参数估计

系统阐述了利用水下爆炸声源作为发射声源,辅助声呐系统实现水下目标定位和目标方位、距离参数估计的方法。研究了目标散射信号的窄波束混响模型,以及混响背景下的目标方位参数的估计方法。对目标参数估计误差进行研究,证明方位参数、距离参数的估计误差近似满足高斯分布,并推导了距离参数估计误差方差的表达式。利用仿真实验对目标距离参数估计误差及其标准差进行研究,得出了一系列提高距离参数估计精度的措施。仿真和湖试数据处理结果显示,在存在一定爆炸声源距离误差的条件下,本文方法可实现对远距离水下目标的准确定位。      

联合扩散场激励与近场声全息重建的建筑构件隔声测量方法

提出了一种联合扩散场(DAF)激励与近场声全息(NAH)辐射声强重建的建筑构件空气声隔声测量方法。该方法首先通过DAF激励构件振动并获取入射声功率,然后利用NAH技术从辐射声压场中重建构件表面高空间分辨率的法向声强分布,最后根据声强分布来计算辐射声功率和定位辐射热区,从而实现构件隔声量和隔声缺陷测量。隔声室实验研究表明,在测试距离和采样间距均为0.04 m的条件下,该方法测量的隔声量与声压法的误差在100～5000 Hz频带小于3.3 dB,在250～3150 Hz频带小于1.3 dB,对圆孔(直径8 mm)和矩形缝(长80 mm、宽3 mm)的定位精度高达厘米级;同时,该方法在一定混响和背景噪声影响下的稳定性较强,接收室混响时间从1.0 s增至3.4 s (步长0.6 s)以及信噪比从10 dB降至0 dB (步长5 dB),隔声量测量误差分别在0.8 dB和0.3 dB以内,缺陷定位误差在0.037 m和0.035 m以内。所提方法有助于提高实验室中建筑构件隔声特性的测量能力,同时对接收室测试环境具有较强的鲁棒性。