CN110049408A - 一种麦克风传声器阵列阵型优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,在软件中设置模拟声源以及麦克风阵型的坐标位置;通过声场仿真计算得到各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号;将动态声信号转换成电信号后输入至对应的耦合腔声源中,耦合腔声源则一一对应的辐射声压信号给麦克风;麦克风传声器阵列中各个麦克风采集到声信号后,由声源定位算法得到定位声源;将定位声源与模拟声源在分辨率、动态范围、定位精度等方面进行定量分析比较;通过改变麦克风数目、间距和坐标可以获得不同的麦克风阵列阵型。本发明方法无需加工麦克风阵列,这样可以大大降低阵型选择难度,并做到定量分析;并且可以很容易地测试多种阵型的定位结果,进而选择出更为合适的麦克风阵型。
Description
技术领域
本发明涉及一种麦克风传声器阵列阵型优化方法。
背景技术
声阵列的应用日益广泛,可是对于声阵列系统以及产品来说,系统定位准确与否与麦克风阵列的结构有很大的关系。目前麦克风阵列阵型一般根据所检测的声源类型选择,麦克风的个数根据算法和要求精度选择,麦克风之间的间距根据算法要求选择。要做到比较精细的定量分析,需要耗费大量的人力物力做出多种阵型的麦克风阵列进行实验比较,与此同时麦克风的个数以及间距也会组合成多种情况,这使得麦克风阵列阵型的定量分析成为一个困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,使用声源模拟方法仿真任意空间声源的辐射声场,并使用一套声源模拟装置在信号领域重建声场信息,声场重建精度由声源模拟节点(耦合腔声源)决定;本发明方法取消了麦克风阵列设计时的硬件设计工作,而仅仅通过软件设置即可模拟所有阵型的麦克风阵列。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,包括以下步骤:
(1)在软件中设定模拟声源位置,并根据设计的麦克风传声器阵列中各个麦克风的位置关系在软件中设定各个麦克风相对模拟声源的位置;
(2)通过数值计算得到模拟声源的辐射声场,并通过声场仿真计算得到各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号;
(3)将计算得到的各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号转换成电信号后输入至对应的耦合腔声源中,耦合腔声源则一一对应的辐射声压信号给麦克风;
(4)麦克风传声器阵列中各个麦克风采集到声信号后,由声源定位算法来进行空间声源的定位和声成像,以得到定位声源;
(5)将由声源定位算法得到的定位声源与模拟声源进行比较,若分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内时即可;
(6)若分辨率、动态范围、定位精度中的任一者不在误差范围内时,重复步骤(1)至(5),并在步骤(1)中调节麦克风的数量和/或各个麦克风相对模拟声源的位置,直至分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内。
优选地,所述模拟声源包括点声源、面声源、体积声源、不规则体声源。
更优选地,所述点声源包括单个点声源、多个离散分布点声源、连续分布点声源的集合。
优选地,所述声场仿真计算包括有限元方法、能量统计法、边界元方法。
优选地,所述动态声信号包括声压幅值、声音频率和声信号相位。
优选地,所述耦合腔声源辐射的声压信号与所述声场仿真计算得到的动态声信号一致。
优选地,所述声源定位算法为波束形成方法。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:本发明一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,所有的麦克风阵型只需要软件设置坐标位置,无需加工麦克风阵列,这样可以大大降低阵型选择难度,并做到定量分析;本发明方法中麦克风阵列中的麦克风数目以及麦克风之间的间距可以在空间声源模拟方法中设置,通过改变数目、间距和麦克风坐标可以很便利地获得不同的麦克风阵列阵型,而不需要真实地将麦克风传声器放置到实际的空间位置处。使用本发明方法方法可以非常容易地比较不同阵型的麦克风阵列的定位精度和声源识别性能,不需要制作大量的麦克风阵列,降低了成本,并且可以很容易地测试多种阵型的定位结果,将定位声源与模拟声源在分辨率、动态范围、定位精度等方面进行定量分析比较,进而选择出更为合适的麦克风阵型,从而完成对多种麦克风阵型的优化。
附图说明
附图1为本发明方法中声源模拟与声源定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
上述一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,包括以下步骤:
(1)采用声源模拟方法,在软件中设定模拟声源位置,并根据设计的麦克风传声器阵列中各个麦克风的位置关系在软件中设定各个麦克风相对模拟声源的位置;模拟声源包括点声源、面声源、体积声源、不规则体声源等;点声源包括单个点声源、多个离散分布点声源、连续分布点声源的集合等。
(2)通过数值计算得到模拟声源的辐射声场,并通过声场仿真计算得到各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号;声场仿真计算包括有限元方法、能量统计法、边界元方法等;动态声信号包括声压幅值、声音频率和声信号相位等。
(3)将计算得到的各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号转换成电信号后输入至对应的耦合腔声源中,耦合腔声源则一一对应的辐射声压信号给麦克风;耦合腔声源辐射的声压信号与声场仿真计算得到的动态声信号一致。通过多个耦合腔声源将声压信号输入到麦克风阵列对应的麦克风中,即可模拟麦克风阵列在实际声源存在的情况下各个麦克风所处的空间位置和采集到的声信号。耦合腔声源是一种根据输入模拟电信号输出声波的标准装置,该装置输出声波的幅值和相位精度均可被高精度传声器校准,并满足GB/T15173-1994标准要求,通过耦合腔声源即可输出任意设定的声音信号。
(4)麦克风传声器阵列中各个麦克风采集到声信号后,由声源定位算法来进行空间声源的定位和声成像,以得到定位声源;声源模拟与声源定位流程如图1所示;
在本实施例中,声源定位算法为波束形成方法:
波束方法是一种先进的噪声源识别定位方法,该方法将多个麦克风按照一定的几何结构排列组成麦克风阵列,并利用麦克风阵列对空间声场进行多点采样和处理,然后通过加权,组合所有传声器上的信号,提取阵列所接收的信号及其特征信息,同时可以抑制干扰噪声,衰减所有其他方向的信号。波束形成的性能与阵列的几何结构有关,如阵列的孔径大小即阵列的最大尺度、阵元间距以及阵元排布方式等都会影响波束形成的性能,因此麦克风阵列的阵型设计(即麦克风的排布方式)是决定麦克风阵列性能主要因素之一,对麦克风阵列的阵型进行优化设计非常重要。
(5)由于空间模拟声源的位置与声场特征已知(尤其是模拟声源为点声源、线声源、球形声源时,声场特征可以使用精确的解析解方法获得),将由声源定位算法得到的定位声源与模拟声源进行比较,若分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内时即可。
(6)若分辨率、动态范围、定位精度中的任一者不在误差范围内时,重复步骤(1)至(5),并在步骤(1)中调节麦克风的数量和/或各个麦克风相对模拟声源的位置,直至分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)在软件中设定模拟声源位置,并根据设计的麦克风传声器阵列中各个麦克风的位置关系在软件中设定各个麦克风相对模拟声源的位置;
(2)通过数值计算得到模拟声源的辐射声场,并通过声场仿真计算得到各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号;
(3)将计算得到的各个麦克风所在位置应接收到的动态声信号转换成电信号后输入至对应的耦合腔声源中,耦合腔声源则一一对应的辐射声压信号给麦克风;
(4)麦克风传声器阵列中各个麦克风采集到声信号后,由声源定位算法来进行空间声源的定位和声成像,以得到定位声源;
(5)将由声源定位算法得到的定位声源与模拟声源进行比较,若分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内时即可;
(6)若分辨率、动态范围、定位精度中的任一者不在误差范围内时,重复步骤(1)至(5),并在步骤(1)中调节麦克风的数量和/或各个麦克风相对模拟声源的位置,直至分辨率、动态范围、定位精度均在误差范围内。
2.根据权利要求1所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述模拟声源包括点声源、面声源、体积声源、不规则体声源。
3.根据权利要求2所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述点声源包括单个点声源、多个离散分布点声源、连续分布点声源的集合。
4.根据权利要求1所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述声场仿真计算包括有限元方法、能量统计法、边界元方法。
5.根据权利要求1所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述动态声信号包括声压幅值、声音频率和声信号相位。
6.根据权利要求1所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述耦合腔声源辐射的声压信号与所述声场仿真计算得到的动态声信号一致。
7.根据权利要求1所述的一种麦克风传声器阵列阵型优化方法,其特征在于:所述声源定位算法为波束形成方法。
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