[发明专利]基于时间反转的复杂声场定位拾声传声器阵列设计方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及定位拾声传声器阵列的设计，尤其涉及是在复杂声场中的近场声源信号拾取的传声器阵列。 

二、背景技术

传声器阵列拾声主要应用场合有：舞台、大型会议室、新闻现场、远程电视会议、语音聊天、语音编码、语音识别以及完成语音通信的消费类电子产品等等。传统的波束形成方法假设声源处于阵列的远场区，且只针对来区别自不同方向的信号。而现有的近场拾声技术主要分为与数据无关的波束形成技术和自适应波束形成技术，这些方法大都从原来的远场波束形成技术的基础上推导而来，因此同样对来自同一方向不同距离的信号分辨能力有限，且较少涉及复杂声场的拾声。现存的近场拾音技术只能针对不同方向声源拾取有效，对于同一方向不同距离的信号无法区别，不能拾取近场指定位置的信号，不能拾取复杂声场中的信号。 

中国专利公开CN101297587、CN101076203、CN1645971都是含有传声器阵列的拾声发计方法。CN101076203提供的设计方法是采用圆弧阵列，应用其天然聚焦性，将圆心处采集到的信号直接进行相加得到结果。在自由声场中，其有良好的效果，并且简单实用，但是对于复杂声场，其性能会下降，不再实用。CN101297587的拾音装置只考虑了直达声的影响，对于由复杂声场引的反射、折射等影响没有考虑。CN1645971同样没有考虑由复杂声场引的反射、折射等影响，同时系统中含有的定位检测只对特定物体有效，并加大了装置复杂性。1991年法国学者首次提出时间反转的概念(C.Prada，F.Wu，M.Fink，″The iterative time reversalmirror：A solution to self-focusing in the pulse echo mode，″J.Acoust.Soc.Am.90(2)，pp.1119～1129，Aug.1991)。此后关于时间反转的处理多用于超声、图像、通信等领域。其普通的描述是将接收到的信号头尾倒置，再沿原路返回，过程即为时间反转。其本质是应用阵列和目标点之间的传递函数的时空匹配滤波器。目前尚未见到对于与数据无关的波束形成技术，在复杂声场中的应用时间反转的阵列定位拾声报道。 

三、发明内容

1、发明目的：针对当前有关波束形成技术无法区别来自同一方向不同距离的信号，无法拾取所需近场位置的信号，无法拾取复杂声场中的信号的缺点，本发明的目的在于提供一种在复杂声场中能够定位拾声的传声器阵列的设计方法。该阵列能够区别同一方向不同距离的信号，并且能够在复杂声场中拾取所需位置的信号。 

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的复杂声场定位拾声传声器阵列的设计方法基于时间反转原理，该方法包括以下步骤： 

(1)、指定预定目标点，测量或计算每个通道的冲激响应。 

(2)、对上面所述的对冲激响应的时间反转，此时冲激响应已经数字化，将此数字序列进行逆序，即完成了时间反转并保存下来。 

(3)、将每个通道采集的信号与相应通道经时间反转后的冲激响应信号进行卷积，最后将所有通道的信号进行相加成为阵列输出信号。 

整个方法的流程图见附图1。 

3、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是在于：(1)不仅在自由空间中，即使在复杂声场中也能有很好的拾音效果，例如，对于半径为0.37m的圆弧阵列，其拾取预定目标点处的信号要比其它地方(距离预定目标点约25cm远)的信号大5dB以上。(2)传声器阵列布放形式简单，任意放置固定住即可。(3)能区别来自同一方向不同距离的信号。(4)权向量固定，鲁棒性好。 

四、附图说明

图1是整个方法的流程图。 

图2是本发明阵列传声器(以圆弧形为例)放置示意图。 

图3实测的消声室中的冲激响应。 

图4是在消声室中理论与实测值比较。图中是不同位置的拾取能力对圆心归一化后的分布图，单位dB 

图5是在普通房间和混响室的实测值与自由空间中的理论值比较。图中是不同位置的拾取能力对圆心归一化后的分布图，单位dB 

五、具体实施方式

下面以15通道传声器圆弧阵列，半径为0.37m，每通道采样率为15kHz，圆心为预定目标点，信号频率为1kHz对本发明作详细说明。 

1、在水平面内任意放置传声器半圆形阵列，阵列半径为0.37m，阵列含15个传声器，等角度间隔分布。示意配置图见图2。