CN101615392B - 一种利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，该方法包括如下步骤：1)随机阵列在混响环境下同步发射相同源信号，与此同时开始记录期望位置点处的传声器采集的接收信号；2)对记录下来的接收信号进行时域反转和幅度放大处理；3)将步骤2)中放大的时域反转信号再次由随机阵列发射，从而在期望位置点处产生声聚焦。本发明的优点是：可以随机布放阵元；可以完全消除阵元间因相位差异产生的聚焦模糊；采用实验测量方法代替传统的计算或估计方法求取源点与期望聚焦点之间的格林函数，解除了计算负担；阵元间距突破了半波长的限制；在阵元数相同的情况下，随机阵列聚焦的空域分辨率会稍大于线阵聚焦的空域分辨率。

Description

一种利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法

技术领域

本发明涉及声场控制技术领域，具体地说，本发明特别涉及一种利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法。

背景技术

声场聚焦就是使空间某个期望区域内的声强度尽可能增大，并且使该区域之外其他任意位置点处的声强度尽可能减小。为实现声场聚焦，通常是通过调整阵元的幅度和相位，以改变阵列辐射功率的空间分布，使之辐射出的功率最大程度地落在期望区域内，并尽可能减少该功率向其他区域的泄露。声场聚焦能够将声音控制在某个期望区域内，使该区域内达到最佳的接收效果，并且避免了声音对其他区域造成的干扰。

当声源在混响环境下发声时，由于边界面的反射和散射效应，会使得接收信号中包含着很多的多径分量，由于这些多径分量的干扰，会使得传统的基于自由空间格林函数假设的声场控制方法不再有效。对于存在混响情况下的声场控制问题，目前存在的解决方法是通过计算或估计得出信号从源点到接收点传输时的格林函数，找出格林函数在空间上增益最大的方向，调整阵元的幅度和相位，使阵列导向到格林函数的最大增益方向上，从而在接收点处得到最大的声强度。

这种方法能够实现混响声场的聚焦，但是该方法计算复杂，计算量大，得出的格林函数与实际情况还有一定的误差，而且要求阵元之间的频响一致，这就需要进行阵元频响的测量和校正，实现起来非常麻烦；同时，要求知道阵元间的几何结构关系，当阵列因外界因素出现几何形变而与先验知识不相符合时，会引入一定的误差。如果要求在非常小的空间范围内产生聚焦斑，采用该方法则需要很大的阵元数目才能达到这种期望的效果。

鉴于上述方法存在的一些缺点，因此，需要寻找更为简便有效的方法来解决混响声场的聚焦问题。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有声场聚焦方法的缺陷，从而提出了一种利用随机阵实现混响声场聚焦的方法，该方法通过将接收信号进行时域反转后重新由随机阵列发射会在接收点处产生空时域聚焦的原理，实现了阵元随机布置、阵元间频响存在差异时的混响声场聚焦。

为实现本发明的上述目的，如图25所示，本发明的技术方案包括如下步骤：

1)随机阵列发射源信号，与此同时开始记录期望位置点处传声器采集的接收信号；

2)对记录下来的接收信号进行时域反转和幅度放大处理；

3)将步骤2)中放大的时域反转信号再次由随机阵列发射，从而在期望位置点处产生声聚焦。

所述随机阵列的所有阵元同步发射相同信号，是要求所有阵元的发射信号相同，在实际应用时，各阵元通道之间不需要保持其独立性，所有阵元可以并联起来，由同一个通道分配给各阵元相同的信号，这样会节省信号处理的通道数，简化硬件实现。

以下对本发明的每个步骤作进一步的详细说明：

1、所述步骤1)中，具体实现如下：

假设在封闭空间内有M个随机放置的阵元，在期望聚焦位置点处放置一个传声器单元。假设阵元的系统传递函数为： $H_{p_i}\left(w\right)=A_{p_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{p_i}},1\≤i\≤M,$ 传声器单元的系统传递函数为： $H_{q_0}\left(w\right)=A_{q_0}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{q_0}};$ 考虑到多径效应，从第m个阵元到期望聚焦点处的格林函数为： $G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}},1\≤m\≤M.$ 假设这些随机放置的阵元同时发射相同的信号S(w)，则在期望聚焦点处传声器接收的信号为：

$R_1({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{p_m}\left(w\right)G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)H_{q_0}\left(w\right)S\left(w\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{p_m}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{p_m}}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}{A}_{q_0}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{q_0}}S\left(w\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}S\left(w\right)$

式中： $A_m\left(w\right)=A_{q_0}\left(w\right)A_{p_m}\left(w\right),$ ${\mathrm{\φ}}_m={\mathrm{\φ}}_{q_0}+{\mathrm{\φ}}_{p_m}.$

2、所述步骤2)中，具体实现如下：

根据时间反转方法，将接收信号进行时域反转，也相当于在频域取共轭，同时，假设对接收信号的幅度放大倍数为A，则进行时域反转和幅度放大后的接收信号表示为：

${R_1}^{*}({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=A\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}{S}^{*}\left(w\right)$

3、所述步骤3)中，具体实现如下：

将时域反转和幅度放大后的信号再次从所有阵元同时发射出去，则在期望聚焦点处接收的信号为：

$R_2({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{p_m}\left(w\right)G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)H_{q_0}\left(w\right)R_1^{*}({\stackrel{\→}{r}}_0,w)$

$=\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}\right]\×\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}\right]\×S^{*}\left(w\right)$

$=[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_m\left(w\right)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_{g_i}\left(w\right)\right|}^2+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_m\left(w\right)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\≠i}{\overset{N_m}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{A}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}$

$+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\≠m}{\overset{M}{\underset{n=1,}{\mathrm{\Σ}}}}{A}_m\left(w\right)A_n^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\φ}}_n)}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}]\×S^{*}\left(w\right)$

假设从第m个阵元到期望聚焦点之外其他位置点处的格林函数为： $G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_x,w)=\underset{i=1}{\overset{N_{B_m}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\ψ}}_{g_i}},1\≤m\≤M,$ 那么在期望聚焦点之外其他位置点处接收的信号为：

$R_2({\stackrel{\→}{r}}_x,w)=\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_{B_m}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\ψ}}_{g_i}}\right]\×\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}\right]\×S^{*}\left(w\right)$

$=[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_m\left(w\right)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{N_{B_m}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_b}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\ψ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}$

$+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\≠m}{\overset{M}{\underset{n=1,}{\mathrm{\Σ}}}}{A}_m\left(w\right)A_n^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\φ}}_n)}\underset{i=1}{\overset{N_{B_m}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\ψ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}]\×S^{*}\left(w\right)$

比较

和

可以看出时间反转操作能够在期望位置点处使对应于两次传输的两个格林函数所包含的多径分量之间进行同相叠加，实现了多径分量的相干积累，从而在期望位置点处产生聚焦斑；而在期望位置点之外的其他位置上，由于对应于两次传输的两个格林函数所包含的多径分量之间存在很少的相关性，不会出现多径分量的相干积累现象，这使得期望位置点之外的其他位置上声强度会有明显的降低。当增加阵元数量时，能够逐渐提高聚焦点处的声强度，从而得到高声强聚焦。由于本发明提供的方法中存在着在期望位置点处对应于两次传输的两个相同的格林函数频谱之间进行共轭乘积，这使得传输延迟引起的相位旋转因子和阵元本身引起的相位旋转因子完全被完全抵消掉，从而使得随机放置的未进行频响一致性校正的多个阵元能够在期望位置点处实现声压的同相叠加，得以提高声压强度。

本发明的所述随机阵列是在混响环境下发射信号，该混响环境越复杂，得到的声场聚焦效果越好，且所述随机阵列的相邻阵元间距并不受半波长尺度的限制，阵元间距可以任意选择。本发明的所述步骤1)或/和步骤3)中，所述随机阵列的所有阵元是随机布放的，不需要测量阵元位置和间距，阵列流形未知；所述随机阵列的所有阵元同步发射相同的信号；所述随机阵列的所有阵元未进行过频响补偿，阵元的频响之间存在着一定的差异。在未知阵元之间的几何间距关系和未进行阵元之间的频响一致性校正的前提下，本发明所提供的方法能够实现期望位置点处的声聚焦。所述步骤1)中，所述期望位置点处的接收信号中包含着丰富的多径分量，当这些多径分量再次发射时，会在期望聚焦点处得到相干积累，从而实现声场聚焦。

所述各阵元的频响之间存在着一定的差异，是指各换能器单元之间的幅度和相位响应差异，并不影响算法的有效性。由于该算法中包含着信道传输函数与其共轭的乘积项，这个乘积因子会消除各个换能器单元的相位响应差异，而各单元的幅度响应差异仅仅会决定该单元对聚焦点处声压提高贡献程度的大小。

与传统的线阵列时间反转聚焦方法相比较，在阵元数相同的情况下，所述声聚焦的聚焦斑尺度会稍小于线阵的聚焦斑尺度，所述声聚焦的空域分辨率会稍大于线阵聚焦的空域分辨率。

作为本发明的一种改进，所述步骤1)中，所述源信号是加窗的单频正弦脉冲信号，其频率在可听声或超声频率范围内。

作为本发明的技术方案的一种优选，所述步骤2)中，所述幅值放大需要将接收信号放大到与步骤1)中所述源信号具有同等的幅度。

作为本发明的技术方案的又一种优选，所述步骤3)中，所述声聚焦是指近似的在以期望位置点为球心，以步骤1)中所述源信号的波长为直径的球形空间区域内，接收信号的空时域聚焦效果明显，在脱离该区域之外的其他位置点上聚焦变得比较模糊。

作为本发明的再一种改进，所述随机阵列的所有阵元并联起来，由同一个通道分配给各阵元相同的信号。

作为本发明的还一种改进，所谓幅度放大处理就是对接收信号用其幅度的最大值做归一化，得到归一化后的时域反转信号。

本发明的方法通过将接收信号进行时域反转后重新由随机阵列发射会在接收点处产生空时域聚焦的原理，实现了阵元随机布置、阵元间频响存在差异时的混响声场聚焦，在声场控制和音频工程中的具有应用价值。

具体有如下优点：

A.阵元随机布放，不需要测量阵元位置和间距，在未知阵列流形的情况下能够实现期望点处的声场聚焦。

B.阵元的频响不需要测量和校正，当阵元之间存在频响差异时，由于本发明利用了信道传输函数与其共轭的乘积因子，完全消除了阵元之间因相位差异所产生的聚焦模糊，而幅度差异仅影响阵元对聚焦点声压提高的贡献程度。

C.所有阵元都发射相同的信号，多个阵元可以并联起来由同一个信号处理通道驱动，不需要考虑各阵元通道之间的独立性，节省了信号处理的通道数，简化了硬件实现。

D.本发明采用实验测量方法代替传统的计算或估计方法，求取源点与接收点之间的传输函数，解除了计算负担，实现起来简单快捷，便于实时处理。

E本发明采用的随机阵列，阵元间距突破了传统上相邻阵元间距小于半波长的限制，阵元间距可以任意选择。

F与传统的线阵列时间反转聚焦方法相比较，在阵元数相同的情况下，随机阵列聚焦的空域分辨率会稍大于线阵聚焦的空域分辨率。

G.本发明能够实现混响环境下的声聚焦，这使得本发明所提供方法能够应用到复杂传播环境(如室内环境、水下环境)下的通信、探测、识别等领域。

H.本发明通过增加随机布放的阵元数量，能够在期望点处得到高声强聚焦，为高声强的获取提供了一种简单可行的方法。

附图说明

图1是本发明实施例1中混响室内4元随机阵和传声器布放示意图；

图2是本发明实施例2中混响室内4元随机阵和传声器布放示意图；

图3是本发明实施例3中混响室内4元线阵和传声器布放示意图；

图4是本发明实施例1中4元随机阵发射的单周期单频加窗正弦脉冲信号波形图；

图5是本发明实施例1中当4元随机阵发射脉冲信号时在期望位置点处接收的信号示意图；

图6是本发明实施例1中对期望位置点处的接收信号进行时域反转和幅度放大处理后的信号示意图；

图7是本发明实施例1中当4元随机阵发射放大的时域反转信号时在期望位置点处接收的聚焦信号示意图；

图8是本发明实施例1中当4元随机阵发射放大的时域反转信号时在期望位置点正前方12cm处接收的信号示意图；

图9是本发明实施例1中当4元随机阵发射放大的时域反转信号时传声器2接收的聚焦信号声压峰值随距离变化的示意图；

图10、11和12是本发明实施例2中当发射信号频率为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元随机阵的聚焦信号声压峰值分别在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线；

图13、14和15是本发明实施例3中当线阵放在扬声器0所处位置源信号频率为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵的聚焦信号声压峰值与4元随机阵的聚焦信号声压峰值分别在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线；

图16、17和18是本发明实施例3中当线阵放在扬声器1所处位置源信号频率为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵的聚焦信号声压峰值与4元随机阵的聚焦信号声压峰值分别在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线；

图19、20和21是本发明实施例3中当线阵放在扬声器2所处位置源信号频率为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵的聚焦信号声压峰值与4元随机阵的聚焦信号声压峰值分别在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线；

图22、23和24是本发明实施例3中当线阵放在扬声器3所处位置源信号频率为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵的聚焦信号声压峰值与4元随机阵的聚焦信号声压峰值分别在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线；

图25是本发明方法实现的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

本发明的基本构思是利用随机阵实现混响声场的聚焦。传统聚焦方法需要精确知道阵列流形并要求保证阵元间频响严格一致，本发明突破了传统方法的限制，提出了在阵元随机布放和阵元间存在频响差异的情况下，利用时间反转方法实现混响声场的聚焦。

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

在本实施例中，如图1所示，在混响室(长5.1m、宽4.9m、高4.0m)的地面上随机放置了4个功率均为20W的扬声器单元组成阵列，在期望聚焦点处放置一个传声器单元，用于测量期望点处的接收信号，在该聚焦点的正前方放置另一个传声器，按3cm间隔不断向前移动该传声器的位置，用于测量期望位置点之外其他位置点上的聚焦信号。利用丹麦B&K公司的Pulse仪器记录两个传声器采集的接收信号，并在PC机的matlab软件上编写代码实现对Pulse仪器记录的对应于期望聚焦点处的接收信号进行时域反转和幅度放大处理。

本实施例的具体实施过程包括以下几步：

1)首先设定音频信号的采样率为44100Hz，采样位数为16bits，在matlab软件上编写代码生成加窗单频正弦脉冲信号，然后将得到的脉冲信号送给Pulse仪器，再由Pulse输入四元随机阵播放，同时由Pulse仪器记录期望点处传声器采集的接收信号序列。加窗单频正弦脉冲信号的生成过程如下：首先生成一个352点的1KHz单周期正弦信号序列，然后与一个352点的汉宁窗函数序列点乘，得到一个352点的加窗单频正弦脉冲序列，如图4所示。在得到的脉冲序列的头部和尾部分别添加持续时间为3s的空序列，然后送到Pulse仪器由4元随机阵播放，同时Pulse开始记录期望聚焦点处持续时间为20s的接收信号，如图5所示。

2)在matlab上编写代码对Pulse仪器记录的期望位置点处接收信号做时域反转和幅度放大处理。所谓幅度放大处理就是对接收信号用其幅度的最大值做归一化，得到归一化后的时域反转信号，如图6所示。

3)将归一化后的时域反转信号送到Pulse仪器再由4元随机阵同时播放该信号，与此同时由Pulse仪器开始记录放置在期望位置点和在该点正前方12cm处的两个传声器采集的接收信号(记录时间为20s，如图7和图8所示)。

在4元随机阵发射时，对比图7和图8能够看出在期望位置点聚焦的声压信号主瓣区峰值在1.15Pa(约92.3dB)，旁瓣区的最大峰值在0.183Pa(约762dB)，主副瓣声压差约为16.1dB；而在在期望位置点正前方12cm处接收的声压信号主瓣区峰值在0.243Pa(约78.8dB)，旁瓣区的最大峰值在0.178Pa(约76.1dB)，主副瓣声压差约为2.70dB。在期望位置点处得到的接收信号主瓣向副瓣的过渡比较陡峭，主副瓣差异比较大，而在该点正前方12cm处得到的接收信号主瓣向副瓣过渡比较平缓，主副瓣差异比较小，这说明本发明提供的方法能够在期望位置点上取得比较好的时域聚焦效果，而在远离该点12cm处的接收信号时域聚焦变得模糊。在期望位置点处声压信号主瓣区峰值比该点正前方12cm处声压信号主瓣区峰值大13.5dB；而期望位置点处声压信号旁瓣区峰值比该点正前方12cm处声压信号旁瓣区峰值仅大0.100dB。在期望位置点和其正前方12cm处的接收信号主瓣区峰值差异比较大，而旁瓣区峰值差异比较小，这说明本发明提供的方法能够取得较好的空域聚焦效果，具有较高的空间分辨率。

同样按照上述3个步骤，当测量间距(沿期望位置点的正前方移动传声器2的距离，如图1所示)按3cm间隔从0cm逐渐增加到30cm时，分别记录下扬声器0、扬声器1、扬声器2、扬声器3、扬声器0和1、扬声器0、1和2、扬声器0、1、2和3工作时的聚焦信号，并画出聚焦信号声压峰值随测量间距变化的曲线图，如图9所示。根据图9可以看出，扬声器0工作时在期望位置点处的声压峰值约为79.0dB，扬声器0和1同时工作时在该点处的声压峰值约为85.0dB，可见增加扬声器1使得该点处的声压峰值提高了6.00dB，扬声器0、1和2同时工作时在该点处的声压峰值约为89.7dB，可见增加扬声器2使得该点处的声压峰值提高了4.70dB，扬声器0、1、2和3同时工作时在该点处的声压峰值约为92.3dB，可见增加扬声器3时使得该点处的声压峰值提高了2.60dB，这说明增加扬声器阵元的数量，能够逐渐提高期望聚焦点处的声压峰值。扬声器1单独工作时在该点处的声压峰值约为78.4dB，扬声器2单独工作时在该点处的声压峰值约为77.6dB，比扬声器1单独工作时在该点处的声压峰值少了0.800dB，扬声器3单独工作时在该点处的声压峰值约为76.4dB，比扬声器1单独工作时在该点处的声压峰值少了2.00dB，这说明每个扬声器单元对期望位置点处声压提高的贡献程度是不一样的，扬声器单元3因距离期望位置点稍远，信号在传播过程中的幅度衰减稍大，从而导致该扬声器单元工作时对聚焦点处声压提高的贡献较小，仅使聚焦点处的声压幅度提高了2.60dB；而扬声器单元1和2因到期望位置点的距离稍近，信号在传播过程中幅度衰减较小，从而使这两个扬声器单元工作时对聚焦点声压幅度提高的贡献较大。通过观察图9可以看出，当到期望位置点的间距超过18.0cm以后，声压幅度的变化趋于平缓，而本实施例所用的源信号频率在1KHz，其半波长约为17.0cm，这说明本发明所提供方法具有源信号一个波长尺度的空间分辨率，所生成的聚焦声场近似位于以期望位置点为球心，以源信号一个波长尺度为直径的球形空间内。

本实施例中虽然采用了1KHz加窗正弦脉冲信号作为源信号，并采用扬声器单元组成随机阵列，但这仅仅是对本发明所提供方法的一个举例说明，并不限定本发明所提供方法仅适用在可听声频率范围内。事实上，本发明所提供方法能够对可听声或超声频率范围内的源信号实现混响环境下的声聚焦。

实施例2：

在本实施例中，如图2所示，4个扬声器单元随机放置在混响室的地面上，同样按照实施例1所述的三个步骤分别对频率为600Hz、1000Hz、3000Hz的单周期正弦脉冲信号进行4元随机阵的混响声场聚焦实验。

当传声器单元按3cm间隔沿X轴、Y轴和Z轴方向滑动时，分别测量出这三种频率源信号所对应聚焦信号的声压峰值在三个坐标轴上随距离差(传声器所处位置与期望聚焦点之间的距离)的变化曲线。图10、11和12分别给出了频率为600Hz、1000Hz、3000Hz的源信号所对应聚焦信号的声压峰值在X轴、Y轴和Z轴上归一化的分布曲线。

对比这些曲线，可以看出由随机阵生成的聚焦斑，其空域尺度会随着源信号频率的增加而减小，并且近似地等于源信号的一个波长尺度；同时，声压分布曲线的旁瓣幅值也会随着源信号频率的增加而减小，这是由于频率越高的信号在空间传播时幅度衰减越快而造成的。

实施例3：

在本实施例中，如图3所示，在混响室内，4元线阵列分别放置在实施例2中提到的4个扬声器单元所在位置点处，同样按照实施例1所述的三个步骤，在这4个位置点处分别对频率为600Hz、1000Hz、3000Hz的单周期正弦脉冲信号进行4元线阵的混响声场聚焦实验，并对比4元线阵与4元随机阵的混响声场聚焦实验结果。

当传声器单元按3cm间隔沿X轴、Y轴和Z轴方向滑动时，分别测量出这三种频率源信号所对应聚焦信号的声压峰值在三个坐标轴上随距离差(传声器所处位置与期望聚焦点之间的距离)的变化曲线。图13、14和15是当线阵放置在扬声器0所在位置点处，源信号频率分别为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵的聚焦信号声压峰值归一化曲线与4元随机阵的归一化曲线在X轴、Y轴和Z轴上的对比图；同样，图16、17和18是当线阵放置在扬声器1所在位置点处，源信号频率分别为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵与4元随机阵的聚焦信号声压峰值归一化曲线在X轴、Y轴和Z轴上的对比图；图19、20和21是当线阵放置在扬声器2所在位置点处，源信号频率分别为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵与4元随机阵的聚焦信号声压峰值归一化曲线在X轴、Y轴和Z轴上的对比图；图22、23和24是当线阵放置在扬声器3所在位置点处，源信号频率分别为600Hz、1000Hz、3000Hz时，4元线阵与4元随机阵的聚焦信号声压峰值归一化曲线在X轴、Y轴和Z轴上的对比图。

比较这些曲线可以看出，4元随机阵产生的聚焦斑尺度稍小于4元线阵产生的聚焦斑尺度，这说明4元随机阵聚焦的空域分辨率稍大于4元线阵的空域分辨率，这也可以说明在阵元数相同的情况下，随机阵聚焦的空域分辨率会稍大于线阵聚焦的空域分辨率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，该方法包括步骤：

1)随机阵列在混响环境下同步发射相同源信号，与此同时开始记录期望位置点处的传声器采集的接收信号；

2)对记录下来的接收信号进行时域反转和幅度放大处理；

3)将步骤2)中放大的时域反转信号再次由随机阵列发射，从而在期望位置点处产生声聚焦。

2.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤1)包括：

假设在封闭空间内有M个随机放置的阵元，在期望聚焦位置点处放置一个传声器单元；

假设阵元的系统传递函数为： $H_{p_i}\left(w\right)=A_{p_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{p_i}},1\≤i\≤M,$ 传声器单元的系统传递函数为： $H_{q_0}\left(w\right)=A_{q_0}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{q_0}};$

从第m个阵元到期望聚焦点处的格林函数为： $G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}},1\≤m\≤M;$

假设这些随机放置的阵元同时发射相同的信号S(w)，则在期望聚焦点处传声器接收的信号为：

$R_1({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{p_m}\left(w\right)G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)H_{q_0}\left(w\right)S\left(w\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{p_m}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{p_m}}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}{A}_{q_0}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{q_0}}S\left(w\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}S\left(w\right)$

式中： $A_m\left(w\right)=A_{q_0}\left(w\right)A_{p_m}\left(w\right),$ ${\mathrm{\φ}}_m={\mathrm{\φ}}_{q_0}+{\mathrm{\φ}}_{p_m}.$

3.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

根据时间反转方法，将接收信号进行时域反转，也相当于在频域取共轭，同时，假设对接收信号的幅度放大倍数为A，则进行时域反转和幅度放大后的接收信号表示为：

${R_1}^{*}({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=A\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}{S}^{*}\left(w\right).$

4.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤3)为：

将时域反转和幅度放大后的信号再次从所有阵元同时发射出去，则在期望聚焦点处接收的信号为：

$R_2({\stackrel{\→}{r}}_0,w)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{p_m}\left(w\right)G_m({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_0,w)H_{q_0}\left(w\right)R_1^{*}({\stackrel{\→}{r}}_0,w)$

$=\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}\right]\×\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}^{*}\left(w\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{g_i}}\right]\×S^{*}\left(w\right)$

$=[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_m\left(w\right)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_{g_i}\left(w\right)\right|}^2+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_m\left(w\right)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\≠i}{\overset{N_m}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{A}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}.$

$+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\≠m}{\overset{M}{\underset{n=1,}{\mathrm{\Σ}}}}{A}_m\left(w\right)A_n^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\φ}}_n)}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{g_i}\left(w\right)A_{g_j}^{*}\left(w\right)e^{j({\mathrm{\φ}}_{g_i}-{\mathrm{\φ}}_{g_j})}]\×S^{*}\left(w\right)$

5.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述源信号是加窗的单频正弦脉冲信号，其频率在可听声或超声频率范围内。

6.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述幅值放大是将接收信号放大到与步骤1)中所述源信号具有同等的幅度。

7.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述声聚焦是指近似的在以期望位置点为球心，以步骤1)中所述源信号的波长为直径的球形空间区域内，接收信号的空时域聚焦效果明显。

8.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所述随机阵列的所有阵元并联起来，由同一个通道分配给各阵元相同的信号。

9.根据权利要求1所述的利用随机阵列实现混响声场聚焦的方法，其特征在于，所谓幅度放大处理就是对接收信号用其幅度的最大值做归一化，得到归一化后的时域反转信号。

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