CN102508204A - 基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，包括1)在正常工况条件下对目标位置进行声压信号采集；2)通过频谱分析找到声压级最大频段；3)对空间中的可能声源进行区域划分；4)利用时域BF方法找到空间中各声源区域的最大噪声源位置；5)判断所有区域是否识别完成，若为是，执行步骤6)，若为否，返回步骤4)；6)通过TPA方法测量各最大噪声源到目标位置的路径信息和贡献度等步骤。与现有技术相比，本发明具有准确定位声源，又可以减少TPA的工作量，能以较少的TPA工作量寻找对控制位置最大的噪声源等优点。

Description

基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内噪声源定位方法，尤其是涉及一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法。

背景技术

室内噪声危害工作人员的健康，有效控制噪声的前提是确定主噪声源，其工作通常包括声源定位和声源对目标控制位置的噪声贡献量评价。

一般室内环境存在若干噪声源相对集中的区域，这些噪声源的位置和声谱稳定，且在室内产生混响。在消声室或空旷环境下，声源定位可以采用基于麦克风阵列的波束形成方法(Beamforming，BF)。但该方法应用于一般室内的声源定位时，容易受到混响的影响而产生镜像声源或者淹没强度相对较小的声源，造成声源定位失准和遗漏的问题。

声源贡献量的评价可以采用传递路径分析(Transfer Path Analysis，TPA)方法，在获得声源位置的条件下识别各噪声源对目标位置的贡献度，并且不受室内混响的干扰。但是该方法需要对每个声源单独进行实验求其贡献量，并且随着声源数量的增加工作量越大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在正常工况条件下对目标位置进行声压信号采集；

2)通过频谱分析找到声压级最大频段；

3)对空间中的可能声源进行区域划分；

4)利用时域BF方法找到空间中各声源区域的最大噪声源位置；

5)判断所有区域是否识别完成，若为是，执行步骤6)，若为否，返回步骤4)；

6)通过TPA方法测量各最大噪声源到目标位置的路径信息和贡献度；

7)将经TPA方法测量的各最大噪声源到目标位置的路径信息与实际测到的噪声到目标位置的路径信息进行分析，得到误差，并判断该误差是否超过设定的阈值，若为是，执行步骤8)，若为否，执行步骤9)；

8)利用频域BF方法找到被忽略的噪声源，并通过TPA方法计算该噪声源到目标位置的贡献度；

9)比较各最大噪声源到目标位置的贡献度，找到贡献度最大的噪声源。

所述的步骤4)利用时域BF方法找到空间中各声源区域的最大噪声源位置的计算公式为：

$b(t,{\mathrm{\θ}}^{\′})=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{p}_n(t+{{\mathrm{\τ}}^{\′}}_n),$

其中p_n为各麦克风所接收到的信号，θ′为声源聚焦方向，w_n为各麦克风接收信号的权重向量，n＝1，2......N，N为麦克风个数；τ′_n＝x_n sinθ′/c₀为补偿时延，c₀为声波在空气中的传播速度。

所述的步骤6)通过TPA方法测量各最大噪声源到目标位置的路径信息和贡献度计算公式如下：

$P_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,k}=H_a\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{H}_{i,k}$

式中，P_k为目标点k处的频域复声压，P_i，k为第i个激励源传递到目标点k处的声压，H_a为A计权滤波器的频谱特性，H_i，k为第i个激励源到目标点的传递函数，S_i为第i个声源的实际激励。

所述的传递函数可用频率响应函数代替，而不会失去有用信息，频率响应函数的表达式为：

$H_{\mathrm{XY}}\left(f\right)=\frac{P_Y\left(f\right)}{P_X\left(f\right)}=\frac{P_Y\left(f\right)\·P_X^{*}\left(f\right)}{P_X\left(f\right)\·P_X^{*}\left(f\right)}=\frac{G_{\mathrm{XY}}\left(f\right)}{G_{\mathrm{XX}}\left(f\right)}$

式中，P_Y(f)为目标位置接收到信号的傅里叶变换即系统输出，P_X(f)为声源所发出信号的傅里叶变换即系统输入，

为其共轭复数，G_XY为输入输出信号的互功率谱，G_XX为输入信号的自功率谱。

所述的步骤8)利用频域BF方法找到被忽略的噪声源具体计算公式为：

$B(\mathrm{\ω},x_c)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{P}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω}{{\mathrm{\τ}}^{\′}}_n}$

式中，ω为声源振动的角频率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用BF-TPA结合技术既可以排除混响环境或镜像声源的影响而准确定位声源，又可以减少TPA的工作量，能以较少的TPA工作量寻找对控制位置最大的噪声源。

2、定位准确，对一般较弱混响环境或者较弱镜像声源而言，可以准确的定位声源。对强混响环境或者强镜像声源而言，采用本发明修正技术，可以准确定位全部的主噪声源。

附图说明

图1为本发明的室内声源识别模型示意图；

图2为本发明的波束形成示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明的对频段贡献最大噪声源识别流程图；

图5为本发明的修正前A区域声源定位效果图；

图6为本发明的修正前B区域声源定位效果图；

图7为本发明的采用频域TPA修正后A区域声源定位效果图；

图8为本发明的采用频域TPA修正后B区域声源定位效果图；

图9为本发明的修正前TPA合成噪声与实际噪声比较示意图；

图10为本发明的修正后TPA合成噪声与实际噪声比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

室内声源识别模型如图1所示，在一个长、宽、高分别为L_x、L_y、L_z的房间内，各面墙的反射系数分别为β_u，u＝1，2，...，6，(β_u＝0表示墙壁吸收所有入射声波；β_u＝1表示墙壁全反射入射声波)，在房间的若干区域(A、B...)内存在点声源S_m，m＝1，2，...，M。

波束形成示意如图2所示，设房间所有墙壁的反射系数β_u＝β，声源S_m经过各墙壁l次反射形成l阶镜像声源S_m ^(l)，则第n个麦克风接收到的声压信号为直达声源S_m的声压信号p_m，n(t)和对应镜像声源S_m ^(l)的声压信号

之和：

$p_n\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(p_{m,n}\left(t\right)+\underset{l=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{m,n}^{\left(l\right)}\left(t\right))---\left(1\right)$

其中镜像声源发出的声波经过l次墙壁反射幅值衰减为原声源的β^l，且镜像后距离增加为

镜像声源发出的信号实际由p_m，n(t)经过若干次反射产生，其相对p_m，n(t)的延时为 ${\mathrm{\τ}}_{m,n}^{\left(l\right)}=(r_{m,n}^{\left(l\right)}-r_{m,n})/c_0,$ 即有

$p_{m,n}^{\left(l\right)}\left(t\right)={\mathrm{\β}}^l\frac{r_{m,n}}{r_{m,n}^{\left(l\right)}}{p}_{m,n}(t-{\mathrm{\τ}}_{m,n}^{\left(l\right)})---\left(2\right)$

考虑人对声音响度的感受，可以对p_n进行A计权滤波后得到

TPA方法研究的对象通常包括结构噪声和空气噪声，通过测得各噪声源到目标位置路径上的传递函数，并在实际工况下测得声源处的近场声压信号，由公式(3)即可求得各噪声源的贡献量，通过合成可得目标点的总声压，从而建立了一个TPA模型。

$P_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,k}=H_a\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{H}_{i,k}---\left(3\right)$

式中，P_k为目标点k处的频域复声压，P_i，k为第i个激励源传递到目标点k处的声压，H_a为A计权滤波器的频谱特性，H_i，k为第i个激励源到目标点的传递函数，S_i为第i个声源的实际激励。

本发明流程如图3所示，首先对空间中的可能声源进行区域划分；然后利用时域BF方法找到空间中各噪声源区域人耳感受强度最大的声源，再计算这些候选声源对目标位置的TPA，能以较少的TPA工作量寻找对控制位置最大的噪声源。通过对TPA计算结果与实测目标位置声压信号的误差分析，可以找到BF中忽略但对目标位置影响较大的噪声源所处频段，再利用频域BF方法找到该频段被忽略的噪声源，然后计算该声源到目标位置的TPA。通过对各声源对目标位置贡献量的计算找到影响最大的声源。

识别流程如图4所示，首先在正常工况条件下对目标位置进行声压信号采集，找到三分之一倍频程声压级图中的声压最大的频段。然后在可能出现噪声源的区域分别用频域波束形成方法对该频段的声源进行定位。最后对这几个声源进行TPA分析，得到各声源的贡献量，从而找到对目标位置贡献最大频段的声源。同理，也可以对其他强度较大频段用该方法进行分析，找到该频段贡献最大的声源。

图5、图6是修正前A、B区域声源定位的效果图，其中区域A中在(8.5，0，1.5)附近，区域B中在(0，4.6，0.6)附近可以明显看出有声源存在，但在区中A、B中的其余地方是否还存在声源据此图就难以判别，因此，如图9所示，通过TPA合成噪声与实际噪声频域对比可知，在1500Hz附近还存在噪声源，然后再采用频域BF-TPA法对A、B区域在1500Hz附近进行声源定位如图7、8，可知区域A中在(8.5，0，0.5)附近还存在噪声源，区域B中噪声源还是(0，4.6，0.6)附近，只是相比于前次声源定位的效果，此次声源定位效果更好。图10修正后TPA合成噪声与实际噪声比较，由此可知修正后的合成噪声和实际噪声基本吻合。故采用BF-TPA方法进行声源定位效果明显。

Claims (5)

1.一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在正常工况条件下对目标位置进行声压信号采集；

2)通过频谱分析找到声压级最大频段；

3)对空间中的可能声源进行区域划分；

4)利用时域BF方法找到空间中各声源区域的最大噪声源位置；

5)判断所有区域是否识别完成，若为是，执行步骤6)，若为否，返回步骤4)；

6)通过TPA方法测量各最大噪声源到目标位置的路径信息和贡献度；

7)将经TPA方法测量的各最大噪声源到目标位置的路径信息与实际测到的噪声到目标位置的路径信息进行分析，得到误差，并判断该误差是否超过设定的阈值，若为是，执行步骤8)，若为否，执行步骤9)；

8)利用频域BF方法找到被忽略的噪声源，并通过TPA方法计算该噪声源到目标位置的贡献度；

9)比较各最大噪声源到目标位置的贡献度，找到贡献度最大的噪声源。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，所述的步骤4)利用时域BF方法找到空间中各声源区域的最大噪声源位置的计算公式为：

$b(t,{\mathrm{\θ}}^{\′})=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{p}_n(t+{{\mathrm{\τ}}^{\′}}_n),$

其中p_n为各麦克风所接收到的信号，θ′为声源聚焦方向，w_n为各麦克风接收信号的权重向量，n＝1，2......N，N为麦克风个数；τ′_n＝x_n sinθ′/c₀为补偿时延，c₀为声波在空气中的传播速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，所述的步骤6)通过TPA方法测量各最大噪声源到目标位置的路径信息和贡献度计算公式如下：

$P_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,k}=H_a\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{H}_{i,k}$

式中，P_k为目标点k处的频域复声压，P_i，k为第i个激励源传递到目标点k处的声压，H_a为A计权滤波器的频谱特性，H_i，k为第i个激励源到目标点的传递函数，S_i为第i个声源的实际激励。

4.根据权利要求3所述的一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，所述的传递函数可用频率响应函数代替，而不会失去有用信息，频率响应函数的表达式为：

$H_{\mathrm{XY}}\left(f\right)=\frac{P_Y\left(f\right)}{P_X\left(f\right)}=\frac{P_Y\left(f\right)\·P_X^{*}\left(f\right)}{P_X\left(f\right)\·P_X^{*}\left(f\right)}=\frac{G_{\mathrm{XY}}\left(f\right)}{G_{\mathrm{XX}}\left(f\right)}$

式中，P_Y(f)为目标位置接收到信号的傅里叶变换即系统输出，P_X(f)为声源所发出信号的傅里叶变换即系统输入，

为其共轭复数，G_XY为输入输出信号的互功率谱，G_XX为输入信号的自功率谱。

5.根据权利要求2所述的一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声源定位方法，其特征在于，所述的步骤8)利用频域BF方法找到被忽略的噪声源具体计算公式为：

$B(\mathrm{\ω},x_c)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{P}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω}{{\mathrm{\τ}}^{\′}}_n}$

式中，ω为声源振动的角频率。

Images