本發(fā)明涉及一種室內(nèi)聲源定位方法，特別涉及一種基于傳聲器鏡像的室內(nèi)聲源定位方法。

背景技術(shù)：

文獻(xiàn)“Sparse sound field decomposition using group sparse Bayesian learning,in 2015Asia-Pacific Signal and Information Processing Association Annual Summit and Conference(APSIPA),2015,pp.850-855.”公開了一種室內(nèi)聲源定位方法。該方法將直達(dá)聲和混響聲分解為單獨(dú)的聲源信息以及多個(gè)虛源的混響信息，采集多個(gè)接收信號(hào)，在室內(nèi)和室外空間劃分網(wǎng)格，構(gòu)建字典求解來(lái)進(jìn)行室內(nèi)聲源定位。文獻(xiàn)所述方法基于虛聲源法，將室內(nèi)的混響信息分解為由聲源以及房間外多個(gè)虛源輻射聲波的疊加，基于這些信息可將房間內(nèi)部的直達(dá)聲和混響聲分解。然而，當(dāng)室內(nèi)混響較強(qiáng)時(shí)，為滿足聲能量衰減為10％以下的要求，空間內(nèi)設(shè)定網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目會(huì)極大地增加，這將導(dǎo)致求解時(shí)所構(gòu)造字典的相應(yīng)的維數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的擴(kuò)張。而稀疏求解時(shí)，字典原子個(gè)數(shù)的增多會(huì)增加求解的計(jì)算成本，降低計(jì)算效率，這將嚴(yán)重影響聲源定位的實(shí)時(shí)輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有室內(nèi)聲源定位方法復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供一種基于傳聲器鏡像的室內(nèi)聲源定位方法。該方法以室內(nèi)多傳聲器的采集數(shù)據(jù)為輸入，將室內(nèi)各接收點(diǎn)位置、房間尺寸信息與虛聲源法結(jié)合建立信號(hào)模型，并借助傳聲器鏡像構(gòu)建求解字典，最后采取Lasso優(yōu)化算法進(jìn)行求解，求出的位置向量可直接獲取聲源的位置信息；在定位計(jì)算時(shí)，使用基于傳聲器鏡像的字典構(gòu)建字典，可以顯著提升算法計(jì)算效率，提高室內(nèi)聲源定位的實(shí)時(shí)效率，方法簡(jiǎn)單易行。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種基于傳聲器鏡像的室內(nèi)聲源定位方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、在室內(nèi)布置多個(gè)傳聲器，所述傳聲器為無(wú)指向性型。對(duì)于1000～2000頻率段，傳聲器與聲源的距離大于0.2m。采集信號(hào)工作實(shí)時(shí)同步完成，數(shù)據(jù)預(yù)處理的采樣頻率為16kHz以上，錄制時(shí)間不超過30s。

步驟二、對(duì)于尺寸為lx×ly×lz的房間，任意接收點(diǎn)鏡像的空間坐標(biāo)表示為

x_i＝2l·lx±x_m

y_i＝2m·ly±y_m (1)

z_i＝2n·lz±z_m

式中，接收點(diǎn)位置為r_m＝(x_m,y_m，z_m))，某級(jí)接收點(diǎn)鏡像的位置為r_i＝(x_i,y_i，z_i)，l、m、n是界于-∞和+∞之間的整數(shù)，鏡像對(duì)應(yīng)的反射級(jí)數(shù)由(2)式給出

N＝|2l-Δ_l|+|2m-Δ_m|+|2n-Δ_n| (2)

Δl＝1表示求x_i式中x_m前取負(fù)；Δl＝0表示求x_i式中x_m前取正；Δm＝1表示求y_i式中y_m前取負(fù)；Δm＝0表示求y_i式中y_m前取正；Δn＝1表示求z_i式中z_m前取負(fù)；Δn＝0表示求z_i式中z_m前取正；N＝0時(shí)表示傳聲器本身，所以無(wú)反射級(jí)數(shù)。

步驟三、對(duì)于房間內(nèi)某一二維平面，平均吸聲系數(shù)大于0.1，房間內(nèi)部空間沿各方向按照距離間隔Δx、Δy和Δz劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)g_j的位置信息取網(wǎng)格點(diǎn)中心位置，設(shè)總網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為G。

步驟四、計(jì)算各傳聲器位置及其一定階數(shù)鏡像的位置r_ni與每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)位置g_j之間的距離|r_ni-g_j|，將所述距離|r_ni-g_j|與對(duì)應(yīng)的鏡像級(jí)數(shù)和頻率聯(lián)合運(yùn)算，求解字典矩陣D_f中的各元素，D_f的維度為M×G。

式中，f為頻率，c為空氣中的聲速，N₀為傳聲器鏡像的最高階數(shù)。

步驟五、將傳聲器信號(hào)的頻域表示y_f和各頻率的字典矩陣D_f作為輸入，采取Lasso優(yōu)化算法求解x_f。

y_f＝D_fx_f (5)

步驟六、基于頻域表示y_f和字典矩陣D_f，根據(jù)公式(5)，選擇l₁范數(shù)作為求解方法獲取各單獨(dú)頻率下以及聯(lián)合頻率下的位置向量x_f和x，二者具有相同的維度。式中，y∈C^M×1,x,x_f∈C^G×1,D_f∈C^M×G。在進(jìn)行室內(nèi)聲定位時(shí)，房間內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目N遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 傳聲器個(gè)數(shù)M。相對(duì)于整個(gè)房間，x具有稀疏性，給x加稀疏約束求解方程。

步驟七、選取基于Lasso優(yōu)化算法，構(gòu)建如下的單頻率及多頻率的目標(biāo)函數(shù)：

其中，λ是需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，用來(lái)平衡估計(jì)誤差和信號(hào)稀疏度。

步驟八、根據(jù)式(6)和式(7)求解結(jié)果x_f和x，其最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)位置為該頻率點(diǎn)下定位得到的聲源位置。

本發(fā)明的有益效果是：該方法以室內(nèi)多傳聲器的采集數(shù)據(jù)為輸入，將室內(nèi)各接收點(diǎn)位置、房間尺寸信息與虛聲源法結(jié)合建立信號(hào)模型，并借助傳聲器鏡像構(gòu)建求解字典，最后采取Lasso優(yōu)化算法進(jìn)行求解，求出的位置向量可直接獲取聲源的位置信息；在定位計(jì)算時(shí)，使用基于傳聲器鏡像的字典構(gòu)建字典，可以顯著提升算法計(jì)算效率，提高室內(nèi)聲源定位的實(shí)時(shí)效率，方法簡(jiǎn)單易行。

假設(shè)室內(nèi)劃分為a²個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，則對(duì)于背景技術(shù)方法字典對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目為(2n+1)²*a²個(gè)，n為與房間混響相關(guān)的虛源層數(shù)，房間混響越強(qiáng)烈，層數(shù)n數(shù)值也越大。而對(duì)于本發(fā)明方法，在對(duì)房間混響或平均吸聲有預(yù)估的基礎(chǔ)上，最終所構(gòu)造字典對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目為a²個(gè)，且網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目不會(huì)因房間混響的強(qiáng)弱而改變。假設(shè)n＝2，房間內(nèi)部網(wǎng)格點(diǎn)為10×10，背景技術(shù)方法計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格點(diǎn)為2500，求解需要1小時(shí)，然而本發(fā)明方法在預(yù)先不考慮接收點(diǎn)虛源計(jì)算時(shí)間時(shí)，只需要100個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，求解只需要2.4分鐘。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于傳聲器鏡像的室內(nèi)聲源定位方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明方法用測(cè)試系統(tǒng)連接框圖。

圖3是不同信噪比下的定位對(duì)比結(jié)果曲線。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1-3。本發(fā)明基于傳聲器鏡像的室內(nèi)聲源定位方法具體步驟如下：

步驟一、在室內(nèi)布置多個(gè)傳聲器采集數(shù)據(jù)，要求傳聲器為無(wú)指向性型，此外，根據(jù)所選的頻頻范圍，傳聲器應(yīng)選擇盡可能小尺寸的，這有利于提高在測(cè)點(diǎn)附近的所采 集聲場(chǎng)數(shù)據(jù)的精度。對(duì)于1000Hz,對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)為0.172m。在本方法中，一般選取1000～2000的頻率段，對(duì)于這一頻段，傳聲器與聲源的距離大于0.2m便可滿足定位要求。在采集信號(hào)時(shí)，應(yīng)保證采集工作是實(shí)時(shí)同步完成的，對(duì)于數(shù)據(jù)預(yù)處理，保證16kHz以上的采樣頻率，錄制時(shí)間不超過30s。

步驟二、根據(jù)虛聲源法，對(duì)于規(guī)則的矩形房間，對(duì)于給定點(diǎn)聲源位置可直接計(jì)算獲得該點(diǎn)聲源不同反射級(jí)數(shù)的虛聲源。同樣的，對(duì)于內(nèi)部的每個(gè)傳聲器位置，也可以直接計(jì)算獲得該位置對(duì)稱于各壁面的鏡像及其相應(yīng)的反射級(jí)數(shù)。對(duì)于尺寸為lx×ly×lz的房間，任意接收點(diǎn)鏡像的空間坐標(biāo)可表示為

x_i＝2l·lx±x_m

y_i＝2m·ly±y_m (1)

z_i＝2n·lz±z_m

式中，接收點(diǎn)位置為r_m＝(x_m,y_m,z_m))，某級(jí)接收點(diǎn)鏡像的位置為r_i＝(x_i,_yi,z_i)，l、m、n是界于-∞和+∞之間的整數(shù)，鏡像對(duì)應(yīng)的反射級(jí)數(shù)可以由下式給出

N＝|2l-Δ_l|+|2m-Δ_m|+|2n-Δ_n| (2)

Δl＝1表示求x_i式中x_m前取負(fù)；Δl＝0表示求x_i式中x_m前取正；Δm＝1表示求y_i式中y_m前取負(fù)；Δm＝0表示求y_i式中y_m前取正；Δn＝1表示求z_i式中z_m前取負(fù)；Δn＝0表示求z_i式中z_m前取正；N＝0時(shí)表示傳聲器本身，所以無(wú)反射級(jí)數(shù)。

步驟三、對(duì)于定位環(huán)境，由于聲源的虛源的求解受房間形狀的限制，此方法只可用于矩形或其他根據(jù)形狀可直接獲取虛源的房間。對(duì)于房間的吸聲條件，在平均吸聲系數(shù)大于0.1時(shí)，均有高效的定位效果。理論上對(duì)于二維、三維房間問題，本方法都可以實(shí)現(xiàn)，然而二維到三維的變化會(huì)使字典維度急劇增加，限于實(shí)際計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法均是對(duì)房間內(nèi)某一二維平面內(nèi)的進(jìn)行聲源定位。

針對(duì)目標(biāo)房間，將其內(nèi)部空間沿各方向按照一定的距離間隔Δx、Δy和Δz劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)g_j的位置信息取網(wǎng)格點(diǎn)中心位置，設(shè)總網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為G。

步驟四、計(jì)算各傳聲器位置及其一定階數(shù)鏡像的位置r_ni與每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)位置g_j之間的距離，將該距離|r_ni-g_j|與對(duì)應(yīng)的鏡像級(jí)數(shù)、頻率聯(lián)合運(yùn)算，求解字典矩陣D_f中的各元素，D_f的維度為M×G。

式中，f為頻率，c為空氣中的聲速，N₀為傳聲器鏡像的最高階數(shù)。

步驟五、將傳聲器信號(hào)的頻域表示y_f和各頻率的字典矩陣D_f作為輸入，采取Lasso優(yōu)化算法求解x_f。

y_f＝D_fx_f (5)

步驟六、基于y_f和D_f，根據(jù)公式(5)，選擇l₁范數(shù)作為求解方法來(lái)獲取各單獨(dú)頻率下以及聯(lián)合頻率下的位置向量x_f和x，二者具有相同的維度。式中，y∈C^M×1,x,x_f∈C^G×1,D_f∈C^M×G。在進(jìn)行室內(nèi)聲定位時(shí)，房間內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目N遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳聲器個(gè)數(shù)M。實(shí)際環(huán)境中，室內(nèi)一般僅存在少數(shù)幾個(gè)發(fā)聲聲源，因此相對(duì)于整個(gè)房間，x具有稀疏性，可以給x加稀疏約束來(lái)求解方程。

步驟七、選取基于Lasso優(yōu)化算法，構(gòu)建如下的單頻率及多頻率的目標(biāo)函數(shù)：

其中，λ是需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，用來(lái)平衡估計(jì)誤差和信號(hào)稀疏度。

步驟八、根據(jù)式(6)和式(7)求解結(jié)果x_f和x，其最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)位置為該頻率點(diǎn)下使用本方法定位得到的聲源位置。

應(yīng)用實(shí)施例：

房間為一封閉矩形空間。其長(zhǎng)寬高分別為l_x＝3m，l_y＝3m，l_z＝3m。

步驟1、在封閉房間內(nèi)部選定同一高度z＝1m，布置15陣元的線性傳聲器陣列，陣列位置為x＝1.44m，y方向間隔為0.2m，起始端傳聲器位置為y＝0.1m。

步驟2、根據(jù)房間尺寸，選定z＝1m的平面為主要參考區(qū)域，x、y方向各劃分10段來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即房間內(nèi)部的網(wǎng)格點(diǎn)為100個(gè)，網(wǎng)格間距為10cm。網(wǎng)格坐標(biāo)取網(wǎng)格中心位置坐標(biāo)。

步驟3、根據(jù)房間壁面材料，通過查表或測(cè)量室內(nèi)混響時(shí)間確定房間壁面的平均聲壓反射系數(shù)β₀。

步驟4、隨機(jī)選取一個(gè)預(yù)劃分的網(wǎng)格點(diǎn)作為聲源位置，按照附圖2連接電腦，以及相應(yīng)的采集設(shè)備。

步驟5、開啟所有設(shè)備和聲源，持續(xù)播放預(yù)定的白噪聲信號(hào)并設(shè)定所采集時(shí)域信號(hào)的采樣頻率并進(jìn)行錄制，保存數(shù)據(jù)。對(duì)各保存數(shù)據(jù)做短時(shí)傅立葉變換，獲取各傳聲器信號(hào)的頻域表示y_f。

步驟6、選定坐標(biāo)參考點(diǎn)，測(cè)量各傳聲器在房間內(nèi)的相對(duì)位置，根據(jù)房間內(nèi)部網(wǎng)格點(diǎn)劃分，求解各傳聲器鏡像的坐標(biāo)信息以及各鏡像的反射級(jí)數(shù)。

步驟7、根據(jù)各傳聲器鏡像、鏡像反射級(jí)數(shù)以及各壁面吸聲系數(shù)，根據(jù)公式(3)求解房間內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的字典原子，形成各頻率點(diǎn)下的字典D_f。

步驟8、基于y_f和D_f，根據(jù)式(5)、(6)、(7)，選擇l₁范數(shù)作為超定方程組的求解方法來(lái)獲取各單獨(dú)頻率下的位置向量x_f以及聯(lián)合各頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)求解的位置向量x。

步驟9、根據(jù)求解結(jié)果，x_f、x中最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)即為該頻率點(diǎn)下使用本方法定位得到的聲源位置。

在本實(shí)施例中，分別對(duì)得到的采集信號(hào)做不同的信噪比處理并進(jìn)行定位，選定頻率范圍為2kHz～2.3kHz。分別統(tǒng)計(jì)兩種方法的計(jì)算時(shí)間，結(jié)果見表1。

表1兩種方法計(jì)算時(shí)間對(duì)比統(tǒng)計(jì)

根據(jù)計(jì)算效率結(jié)果，背景技術(shù)方法的運(yùn)行速度受房間混響程度的影響，在房間混響較大時(shí)，需要?jiǎng)澐州^多的網(wǎng)格點(diǎn)來(lái)進(jìn)行求解，因而耗費(fèi)時(shí)間較多，而本發(fā)明方法的計(jì)算時(shí)間不受房間混響程度的影響，它只于房間劃分的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)有直接的關(guān)系，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目越多，求解向量維度越高，耗費(fèi)時(shí)間越多。

最后，驗(yàn)證所提方法在不同信噪比下的定位精度性能，參照?qǐng)D3，單一頻率點(diǎn)的信號(hào)定位準(zhǔn)確率達(dá)到85％以上需要信噪比高于15dB，而對(duì)于多頻點(diǎn)的聯(lián)合求解，在信噪比高于-5dB時(shí)，就可以達(dá)到100％的定位精度，這證明了本發(fā)明方法的有效性。