黃朝慧，劉偉，張晉源

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一種有效抑制陣列后方聲源的心形指向性傳聲器陣列

黃朝慧１，劉偉2，張晉源１

(1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，車輛工程學(xué)院，重慶401120；2. 一汽-大眾汽車有限公司成都分公司，四川成都610100)

基于心形指向性傳聲器的波束形成可以有效抑制陣列后方聲源的干擾，提高前方聲源的識(shí)別精度。以平面輪形傳聲器陣列為對(duì)象，借助MATLAB仿真計(jì)算，對(duì)陣列后方聲源波束形成聲源識(shí)別特性及其抑制方法進(jìn)行研究?；诔宰V的互譜波束形成算法提出了含有傳聲器指向性的波束形成算法，對(duì)圓形和心形指向性傳聲器進(jìn)行不同聲源類型的波束形成仿真計(jì)算，并針對(duì)仿真結(jié)果顯示出的不足，給出了既能保證陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的識(shí)別精度，又能降低旁瓣水平的幅值校正算法。試驗(yàn)結(jié)果證明了基于心形指向性傳聲器的波束形成可以有效抑制后方聲源。

聲源識(shí)別；波束形成；后方聲源；抑制方法；心形指向性傳聲器

0 引言

如何降低汽車噪聲已成為汽車行業(yè)人員亟待解決的問題，而對(duì)噪聲源的識(shí)別是第一步?，F(xiàn)有的聲源識(shí)別技術(shù)中，波束形成聲源識(shí)別技術(shù)具有測(cè)量速度快，計(jì)算效率高，成像范圍大，中高頻分辨率好，適宜中長(zhǎng)距離測(cè)量，對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動(dòng)聲源定位精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛應(yīng)用[1-4]。波束形成聲源識(shí)別技術(shù)采用傳聲器陣列來測(cè)量聲信號(hào)，陣列布置形式分為一維線陣列、二維平面陣列和三維陣列。一維線陣列布置形式簡(jiǎn)單方便，但是無法全面地采集聲場(chǎng)數(shù)據(jù)，且需假設(shè)聲源為線性分布來進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用；二維平面陣列采集的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)較為全面，能夠有效衰減陣列前方的干擾信號(hào)[5]，識(shí)別效果較好，且其結(jié)構(gòu)相對(duì)于三維陣列較為簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用較為廣泛。

以往的研究采用的二維平面陣列基于圓形指向性傳聲器，其對(duì)陣列后方干擾信號(hào)的抑制能力差。理論上兩個(gè)關(guān)于陣列平面對(duì)稱的等強(qiáng)度聲源的識(shí)別結(jié)果相同，即陣列后方聲源會(huì)在陣列前方的聲源計(jì)算平面上的對(duì)應(yīng)投影位置處產(chǎn)生高強(qiáng)度的干擾“鬼影”聲源，極大地降低了陣列前方目標(biāo)聲源的識(shí)別精度。為了有效抑制或消除后方聲源的影響，GFai、Brüel&Kj?r公司都推出了具有一定傾角的三維星形傳聲器陣列[5]，楊洋等給出了具有一定傾角的三維星形傳聲器陣列的改進(jìn)方法[6]。上述方案可以有效抑制后方聲源的干擾，但是都需要改變陣列布置，實(shí)際上把二維平面陣列改為了三維陣列，操作較為復(fù)雜。

本文以平面輪形傳聲器陣列為對(duì)象，借助MATLAB軟件對(duì)陣列后方聲源波束形成聲源識(shí)別特性及其抑制方法進(jìn)行研究?；诔宰V的互譜波束形成理論，提出了含有傳聲器指向性的波束形成算法，對(duì)圓形和心形指向性傳聲器進(jìn)行不同聲源類型的波束形成仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了改進(jìn)算法，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。

1 基于心形指向性傳聲器的波束形成聲源識(shí)別

1.1 含有傳聲器指向性的波束形成理論

波束形成聲源識(shí)別方法離散化聲源平面形成網(wǎng)格聚焦點(diǎn)，將陣列中各個(gè)傳聲器采集的聲信號(hào)對(duì)各個(gè)聚焦點(diǎn)分別進(jìn)行相位補(bǔ)償并求和，從而識(shí)別聲源。圖1為基于球面波假設(shè)的波束形成聲源識(shí)別原理示意圖，除自譜的互譜波束形成輸出為[7]

當(dāng)聲信號(hào)以不同的角度傳播至傳聲器振膜時(shí)，振膜受到的作用力不同，經(jīng)過聲-電轉(zhuǎn)化后輸出的電信號(hào)也不同，這種傳聲器靈敏度隨著聲信號(hào)入射方向的不同而發(fā)生變化的特性即為傳聲器的指向性。傳聲器指向性可用角指向率()來表示，()是指與傳聲器主軸呈角度入射的平面波產(chǎn)生的靈敏度與參考方向(0°)的靈敏度之比。傳聲器指向性類別主要分為全向型(圓形)、雙向型(“8”字形)和單向型(心形、超心形、銳心形)等。以往的研究是基于圓形指向性傳聲器，其對(duì)各個(gè)入射方向的角指向率均為1，即對(duì)于所有入射方向的聲信號(hào)都有相同的靈敏度，所以其組成的平面陣列的波束形成無法抑制后方聲源的干擾；心形指向性傳聲器的角指向率表達(dá)式為

圖1 基于球面波假設(shè)的波束形成原理圖

圖2 心形指向性極坐標(biāo)圖

1.2 仿真計(jì)算

根據(jù)含有傳聲器指向性的波束形成理論，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的聲源識(shí)別算法，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真基于孔徑為1 m、傳聲器數(shù)目為42的輪形傳聲器陣列。首先，將陣列正前方1 m處1 m×1 m的聲源平面區(qū)域劃分為41×41的等間距網(wǎng)格聚焦點(diǎn)。假設(shè)有一點(diǎn)聲源，根據(jù)球面波傳播原理計(jì)算得到傳播至陣列各傳聲器的聲信號(hào)，將這些信號(hào)分別乘以相應(yīng)傳聲器與聲源連線和傳聲器0°方向之間的夾角所對(duì)應(yīng)的角指向率，即可得到各個(gè)傳聲器測(cè)得的聲信號(hào)，然后進(jìn)行互譜運(yùn)算并除去自譜元素，再對(duì)各個(gè)網(wǎng)格聚焦點(diǎn)進(jìn)行相位補(bǔ)償并求和，將各個(gè)聚焦點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為功率級(jí)進(jìn)行成像。圖3~5是假定點(diǎn)聲源聲壓幅值為2 Pa(1 m遠(yuǎn)聲壓分貝值為100 dB)，頻率為1 000、3 000、6 000 Hz，動(dòng)態(tài)范圍為12 dB時(shí)，圓形和心形指向性傳聲器波束形成仿真結(jié)果，因?yàn)閳A形指向性傳聲器陣列對(duì)于前方和后方聲源的識(shí)別效果是相同的，所以只對(duì)其位于(0.2, 0, 1) m的前方聲源條件下進(jìn)行仿真，而心形指向性傳聲器陣列的前方和后方聲源的識(shí)別效果不同，所以對(duì)聲源位于陣列前方(0.2, 0, 1) m和陣列后方(0.2, 0,-1) m分別進(jìn)行仿真。

由圖3~5的仿真結(jié)果可知：圓形指向性傳聲器波束形成可以準(zhǔn)確識(shí)別前方單聲源的位置和后方單聲源關(guān)于陣列平面對(duì)稱的位置，其主瓣峰值相同，表明圓形指向性傳聲器波束形成對(duì)后方聲源無抑制能力；同樣的聲源條件下，心形指向性傳聲器波束形成可以準(zhǔn)確識(shí)別前方單聲源的位置和后方單聲源關(guān)于陣列平面對(duì)稱的位置，而前方和后方單聲源主瓣峰值的差值約為28.0 dB，表明心形指向性傳聲器波束形成可以有效抑制后方聲源；因而在前后方聲源條件下，圓形指向性傳聲器波束形成輸出兩個(gè)主瓣，而心形指向性傳聲器波束形成僅在前方聲源的位置輸出了一個(gè)主瓣。

(a) 1 000 Hz MSL=88.152 dB (b) 3 000 Hz MSL=89.666 dB (c) 6 000 Hz MSL=89.440 dB

(a) 1 000 Hz MSL=87.871 dB (b) 3 000 Hz MSL=89.334 dB (c) 6 000 Hz MSL=89.124 dB

(a) 1 000 Hz (b) 3 000 Hz MSL=63.129 dB (c) 6 000 Hz MSL=65.500 dB

圖6所示是頻率均為3 000 Hz的兩不相干聲源條件下、動(dòng)態(tài)范圍為12 dB時(shí)，圓形和心形指向性傳聲器波束形成仿真結(jié)果，其中前方聲源位于(0.2, 0, 1) m，后方聲源位于(-0.2, 0,-1) m。圖中，圓形指向性傳聲器識(shí)別出兩個(gè)聲源，而心形指向性傳聲器僅識(shí)別出前方聲源，結(jié)果進(jìn)一步表明圓形指向性傳聲器波束形成無法抑制背后聲源，而心形指向性傳聲器波束形成可以有效抑制背后聲源，提高前方聲源的識(shí)別精度。

(a) 圓形指向性傳聲器

(b) 心形指向性傳聲器

圖6 前后方聲源，波束形成仿真結(jié)果

Fig.6 Beamforming simulations for the front and the back sources

對(duì)更普遍的情況進(jìn)行仿真計(jì)算，其它條件不變。假定聲源位置坐標(biāo)的值恒為0，值為±1 m，將值在[-1.8, 1.8] m的范圍內(nèi)按照特定步長(zhǎng)變化，聲源和原點(diǎn)的連線與陣列軸線的夾角隨之發(fā)生變化，圖7為圓形和心形指向性傳聲器波束形成輸出主瓣峰值隨角的變化關(guān)系極坐標(biāo)圖。為了便于觀察和比較，分別給出了前方單聲源條件下，圓形和心形指向性傳聲器波束形成主瓣峰值的差值隨角的變化關(guān)系曲線(圖8(a))，以及后方單聲源條件下，圓形和心形指向性傳聲器波束形成主瓣峰值的差值隨角的變化關(guān)系曲線(圖8(b))。由圖7和圖8可知：對(duì)于前方單聲源，在傳統(tǒng)的識(shí)別張角[-30°, 30°]范圍內(nèi)，圓形和心形指向性傳聲器波束形成輸出的主瓣峰值的差值在[0.2, 0.8] dB范圍內(nèi)，說明心形指向性傳聲器波束形成對(duì)陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的計(jì)算精度略小于圓形指向性傳聲器；對(duì)于后方單聲源，在[120°，240°]范圍內(nèi)，圓形與心形指向性傳聲器波束形成輸出主瓣峰值的差值在[12，30] dB范圍內(nèi)，進(jìn)一步表明心形指向性傳聲器波束形成可以有效抑制后方聲源。反之亦表明，在保證至少12 dB的抑制能力時(shí)，陣列背后聲源抑制的有效張角范圍為[120°，240°]。

圖7 圓形和心形指向性傳聲器波束形成主瓣峰值隨γ角的變化圖

(a) 前方單聲源

(b) 后方單聲源

圖8 圓形和心形指向性傳聲器波束形成主瓣峰值的差值隨角的變化

Fig.8 Difference between the mainlobe peaks output by the round and the heart-shaped directional microphone arrays vs. the angle

1.3 幅值校正算法

1.2節(jié)表明心形指向性傳聲器波束形成可以有效抑制后方聲源，但是對(duì)陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的計(jì)算精度不及圓形指向性傳聲器，針對(duì)這一問題給出了一種幅值校正算法：在對(duì)各個(gè)聚焦點(diǎn)進(jìn)行反向聚焦時(shí)，在進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，將各傳聲器接收的聲信號(hào)按對(duì)應(yīng)的來波方向角進(jìn)行相應(yīng)的幅值校正。除自譜的互譜波束形成輸出幅值校正如式(5)所示[7]：

當(dāng)前方聲源位于(0.2, 0, 1) m時(shí)，含有幅值校正的心形指向性傳聲器波束形成仿真結(jié)果如圖9所示，對(duì)比圖3~4中相同條件下波束形成仿真結(jié)果可知：同一頻率下，陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的計(jì)算精度與圖3圓形指向性傳聲器相同；但是最大旁瓣水平(Maximum Srclelobe Level，MSL)比如圖4所示校正前分別增大1.137、1.165、1.021 dB。綜合心形和圓形指向性傳聲器各自的優(yōu)點(diǎn)，給出進(jìn)一步的改進(jìn)方法：首先基于心形指向性傳聲器陣列對(duì)各個(gè)聚焦點(diǎn)進(jìn)行含有傳聲器指向性的波束形成仿真計(jì)算，其次在計(jì)算結(jié)果中找到最大值及其對(duì)應(yīng)的位置，然后單獨(dú)對(duì)該最大值點(diǎn)進(jìn)行幅值校正，即可得到較小的旁瓣水平。同樣仿真條件下，含最大點(diǎn)幅值校正的心形指向性傳聲器波束形成仿真結(jié)果如圖10所示，對(duì)比圖3中相同條件下波束形成仿真結(jié)果可知：陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的計(jì)算精度與圖3圓形指向性傳聲器相同，且最大旁瓣水平相比圖3減小了0.281、0.332和0.316 dB，增大了有效動(dòng)態(tài)范圍。

2 試驗(yàn)

如圖11所示的偽隨機(jī)陣列，分別采用圓形指向性傳聲器和心型傳聲器進(jìn)行聲源識(shí)別試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)前方揚(yáng)聲器位于(-0.1, 0, 0.35) m，后方揚(yáng)聲器位于(0.1, 0,-0.35) m，對(duì)4 000 Hz頻率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，圖12~圖13為顯示動(dòng)態(tài)范圍為10 dB時(shí)，不同聲源、不同指向性聲源的計(jì)算結(jié)果。圖12為采用圓形指向性傳聲器的聲源識(shí)別結(jié)果，圖13為采用心形指向性傳聲器的聲源識(shí)別結(jié)果，且圖12(a)、圖13(a)對(duì)應(yīng)于只有陣列前方聲源發(fā)聲的聲源識(shí)別結(jié)果，圖12(b)、圖13(b)對(duì)應(yīng)于只有陣列后方聲源發(fā)聲的聲源識(shí)別結(jié)果，圖12(c)、圖13(c)對(duì)應(yīng)于陣列前方聲源和后方聲源同時(shí)發(fā)聲的聲源識(shí)別結(jié)果。從圖12可見，對(duì)應(yīng)于真實(shí)的前方聲源位置和后方聲源關(guān)于陣列平面的鏡像對(duì)稱位置處出現(xiàn)了相應(yīng)的聲學(xué)中心，即將陣列后方的聲源錯(cuò)誤地成像到陣列前方，未能對(duì)陣列后方的聲源起到抑制作用。從圖13(a)可見，采用心型傳聲器的陣列能有效地識(shí)別陣列前方的聲源位置，且相比于如圖12(a)所示的圓形指向性傳聲器的陣列成像結(jié)果而言其成像結(jié)果幾乎沒有發(fā)生變化。對(duì)比圖12(b)、圖13(b)可知，對(duì)于陣列后方的聲源，采用心形傳聲器的陣列相比于采用圓形傳聲器的陣列而言，聲學(xué)成像結(jié)果中的主瓣峰值下降了28.765 dB，表明陣列后方聲源在采用心形傳聲器時(shí)能夠得到有效抑制。此外，對(duì)比12(c)和13(c)進(jìn)一步可知，相比于采用圓形指向性傳聲器的陣列，采用心形指向性傳聲器的陣列在準(zhǔn)確識(shí)別陣列前方聲源的同時(shí)能夠有效地抑制陣列后方聲源，即降低了平面?zhèn)髀暺麝嚵泻蠓铰曉磳?duì)前方聲源的干擾，提高了對(duì)前方聲源的識(shí)別精度，極大地提高了平面?zhèn)髀暺麝嚵械穆曉醋R(shí)別應(yīng)用場(chǎng)合。

(a) 1 000 Hz MSL=89.007 dB (b) 3 000 Hz MSL=90.499 dB (c) 6 000Hz MSL=90.144 dB

(a) 1 000 Hz MSL=87.871 dB (b) 3 000 Hz MSL=89.334 dB (c) 6 000 Hz MSL=89.124 dB

圖11 陣列及其試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3 結(jié)論

基于除自譜的互譜波束形成聲源識(shí)別理論，提出了含有傳聲器指向性的波束形成算法，并對(duì)采用圓形和心形指向性傳聲器的傳聲器陣列，在不同聲源類型條件下進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。取得的主要結(jié)論如下：

(1) 基于圓形指向性傳聲器的平面陣列波束形成對(duì)陣列后方聲源無抑制能力，基于心形指向性傳聲器的平面陣列波束形成則可以有效降低后方聲源的旁瓣干擾，但降低了陣列平面上最大聲壓貢獻(xiàn)量的識(shí)別精度；

(2) 采用幅值校正算法能有效提高心形指向性傳聲器陣列波束形成的最大聲壓貢獻(xiàn)量計(jì)算精度，且有效降低旁瓣水平。

(a) 前方單聲源 最大值84.042 dB (b) 后方單聲源 最大值81.468 dB (c) 前后方聲源

(a) 前方單聲源 最大值83.898 dB (b) 后方單聲源 最大值52.703 dB (c) 前后方聲源

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A heart-shaped directional microphone array for suppressing noise behind array

HUANG Chao-hui1, LIU Wei2, ZHANG Jin-yuan1

(1. Faculty of Vehicle Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China;2. The FAW-VW Automobile Company Ltd, Chengdu 610100, Sichuan, China)

Based on heart-shaped directional microphone, the beamforming method can suppress the noise behind arrays and make the precision of sound source identification much better. A planar wheel microphone array is taken as research target, and the beamforming performance for noise behind microphone array and the noise suppression methods are analyzed with MATLAB simulation. Based on the auto-spectrum removal algorithm, the algorithm containing microphone directivity is proposed. The beamforming based on round and heart-shaped directional microphones for different types of sound sourcesare simulated. To solve the deficiency, the amplitude correction algorithm of the maximum point, which not only ensures the accuracy of maximum sound pressure contribution on the array plane, but also reduces the side lobe level, is proposed. Finally, the experiment indicates that the heart-shaped directional microphone array can suppress the noise behind arrays.

acoustic source identification; beamforming; noise behind microphone array; suppression method; heart- shaped directional microphone

TB52

A

1000-3630(2017)-01-0081-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.015

2016-06-15;

2016-08-24

黃朝慧(1968－), 女, 重慶涪陵人, 副教授, 研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)和汽車運(yùn)用工程。

黃朝慧, E-mail: 760848577@qq.com。