CN107566969A - 一种封闭环境内部低频声场重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种封闭环境内部低频声场重构方法，以室内多传声器的采集数据为输入，将室内各接收点位置、房间尺寸信息与等效声源法结合建立信号模型，并借助格林函数构建求解传递矩阵，最后采取Tikhonov优化算法进行求解计算所有等效源的源强度矢量，最后可重新构建传递矩阵，并直接计算确定封闭结构内部任意位置的声压分布。有益效果是：方法简便，适合各类工程技术人员使用，且可实现混响环境内部低频声场的准确重构再现。
Description
技术领域
本发明属于结构内部降噪技术领域，涉及一种封闭环境内部低频声场重构方法，具体涉及一种基于多传声器采集数据的声重构方法，方法特征是实现混响环境下的低频段的声场重构问题，提高重构结果的计算精度。
背景技术
文献“Spatial sound field synthesis and upmixing based on theequivalent source method.Journal of the Acoustical Society of America,2014,135(1).269-282.”公开了一种空间声场物理重构方法，可用于声场控制和多媒体声品质设计。该方法为一种声场等效近似的方法，主要原理为将重构区域空间上多个位置的声压信息采集处理，再设定好的固定位置和数目的扬声器之间重新播放来进行原始声场的再现。文献所述方法基于等效声源法，将原始声场的信息等效为声场边界分布的多个单极子声源和偶极子声源辐射声波的叠加，基于这种等效方法可将原始声场在非原始环境中重新再现出来。然而，文献应用仅仅局限在二维平面区域声场的仿真和主观测试，并没有考虑在三维空间乃至封闭环境，这与实际的声场物理重构中能够实现空间任意位置的物理重构有很大的不同。同时文献也没有考虑混响环境，在实际中封闭结构边界引起的声反射会严重影响声场重构的精度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种封闭环境内部低频声场重构方法，
技术方案
一种封闭环境内部低频声场重构方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在封闭房间内部随机选定M个传声器布置在M个位置上，标记各传声器位置为(xm,ym,zm)，m＝1,2,…,M；开启所有设备和声源，持续播放预定的白噪声信号；所述传声器之间的距离小于0.35m；
以16kHz以上的采样频率，采集时间不超过30s的封闭结构内的时域声信号，所采集的信号记为yi(t)(i＝1,2,…,M)；
步骤2：对各数据做短时傅立叶变换，获取各传声器信号的频域表示yi(f)(i＝1,2,…,M)；
步骤3：根据房间尺寸和选定的坐标系，将房间边界外推10～50cm确定为等效声源面，并将等效声源面离散为N个等效单极子声源，标记每个等效声源的位置坐标为(xn,yn,zn)，n＝1,2,…,N；
步骤4：根据等效声源和的各传声器的位置建立：
其中：表示第M个传声器与第N个等效声源之间的格林函数；
步骤5：根据下式对100～500Hz内的每个频率，采用Tikhonov正则化和L曲线法确定每个频率下的最优正则化参数和等效声源强度的最优解x*(f)：
其中：x(f)为等效声源的强度，λ(f)为正则化参数；
步骤6：选定房间内部若干重构位置，及各位置的坐标(xr,yr,zr)；
步骤7：建立房间内部预测点位置与各等效声源之间的传递矩阵B(f)。
所述正则化参数选取方法采用：L曲线法和广义交叉验证GCV，Generalizedcross-validation。
所述L曲线法进行正则化参数λ(f)的选择：以对数log-log尺度来描述正则解||x||2与残余范数||Ax-p||2，作图得L型的曲线图，最后通过计算和判断选择L曲线拐点处的参数作为正则化参数。
有益效果
本发明提出的一种封闭环境内部低频声场重构方法，以室内多传声器的采集数据为输入，将室内各接收点位置、房间尺寸信息与等效声源法结合建立信号模型，并借助格林函数构建求解传递矩阵，最后采取Tikhonov优化算法进行求解计算所有等效源的源强度矢量，最后可重新构建传递矩阵，并直接计算确定封闭结构内部任意位置的声压分布。
本发明的有益效果是：由于封闭结构壁面存在声波反射，将待重构封闭结构内部的几何外形外推一定的距离，建立等效虚声源面，将等效虚声源面离散为多个等效声源，最后根据等效源与传声器之间的位置关系建立传递矩阵并借助正则化的求逆方法获得任意位置的声压分布。本发明方法简便，适合各类工程技术人员使用，且可实现混响环境内部低频声场的准确重构再现。
附图说明
图1是具体实现的原理流程图
图2是系统连接框图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于传声器采样和虚声源等效代替的封闭结构内部声场重构方法，其特点包括下述步骤：
(1)在封闭结构内布置多个传声器采集数据，要求传声器为无指向性型，传声器应选择尽可能小尺寸的，这有利于提高在测点附近的所采集声场数据的精度。此外，本方法主要适用于低频范围100Hz～500Hz的频率段，对于这一频段，传声器之间的距离小于0.35m便可满足重构要求。在采集信号时，应保证采集工作是实时同步完成的，对于数据预处理，保证16kHz以上的采样频率，录制时间不超过30s。
(2)根据等效声源法，对于封闭结构内部给定点声源的声场，可通过在结构边界外推一定距离的等效边界上的有限个等效声源来等效近似封闭结构内部的声场。假设结构内部的每个采样传声器位置r，等效源位置为r0，根据等效声源法，第i个传声器接受到的声波可以由N个等效源的辐射声波叠加来近似，即以下关系式
式中，x0,j为第j个等效声源的强度，f为计算频率，进一步，所有传声器的信号与等效源强度整理为
简写为矩阵形式
p(f)＝A(f)x(f) (3)
(3)根据(2)中的声场信号模型，对于待重构的封闭结构内部的声场，可由公式(3)计算确定不同频率f下的各等效声源的声源强度x(f)。在实际工程计算中，采样传声器的个数M远远小于等效声源的个数N，这会导致式(3)为超定的线性方程。超定问题属于逆问题中的不适定问题，需要计算矩阵的Picard条件来确定逆计算是否需要附加正则化滤波处理。假设矩阵A的奇异值分解为
A＝Udiag(Λ1,Λ2,...,ΛN)WH (4)
式中
Λ1≥Λ2≥...≥ΛN≥0,ui Huj＝δij,wi Hwj＝δij (5)
式中，Λi代表矩阵A的奇异值，ui和wi分别为左右奇异矢量，δij为Kronecker函数。满足Picard条件的情形为随着奇异值从大到小的变化，声压矢量p与ui的内积下降趋于零的速度比奇异值Λi趋于零的速度快。
(4)根据(3)，当计算满足Picard条件时，矩阵逆计算处理需要附加相应的正则化滤波处理。本方法采取Tikhonov正则化处理，即每个频率f下的最优源强度矢量x*(f)满足
式中，f为频率，λ(f)为频率f下的正则化参数。
(5)常见的正则化参数选取方法包括L曲线法和广义交叉验证(GCV，Generalizedcross-validation)。本方法采取L曲线法进行正则化参数λ(f)的选择。该方法是指以对数log-log尺度来描述正则解||x||2与残余范数||Ax-p||2，作图可得L型的曲线图，最后通过计算和判断选择L曲线拐点处的参数作为最合适的正则化参数。
(6)将(5)中的最优正则化参数带入式(6)可得到一组最优的等效源强度矢量x*。根据式(2)以及L个待预测位置rt和等效声源位置r0之间的关系，预测位置处的声压可以由上一步获得的等效声源强度矢量x*和由位置关系确定的传递矩阵的乘积来表示
矩阵形式为
pt(f)＝B(f)x(f) (8)
最后根据式(8)可计算求解任意位置处的不同频率下的声压分布。
具体实施例：
参照图1所描述的各阶段，对本发明方法作进一步描述：重构对象为一封闭矩形空间。其长宽高分别为lx＝1m，ly＝1.1m，lz＝1.2m。
步骤1：在封闭房间内部随机选定M个位置布置的传声器，标记各传声器位置为(xm,ym,zm)(m＝1,2,…,M)，开启所有设备和声源，持续播放预定的白噪声信号并设定所采集时域信号的采样频率为16kHz,并进行录制，所采集的信号记为yi(t)(i＝1,2,…,M)，记录时间为20s。
步骤2：对各保存数据做短时傅立叶变换，获取各传声器信号的频域表示yi(f)(i＝1,2,…,M)。
步骤3：根据房间尺寸和选定的坐标系，将房间边界外推10cm确定为等效声源面，并将等效声源面离散为N个等效单极子声源，标记每个等效声源的位置坐标为(xn,yn,zn)(n＝1,2,…,N)。
步骤4：根据等效声源和的各传声器的位置建立：
其中：表示第M个传声器与第N个等效声源之间的格林函数；
步骤5：根据下式对100～500Hz内的每个频率，采用Tikhonov正则化和L曲线法确定每个频率下的最优正则化参数和等效声源强度的最优解x*(f)。
其中：x(f)为等效声源的强度，λ(f)为正则化参数；
步骤6：选定房间内部若干重构位置，及各位置的坐标(xr,yr,zr)。
步骤7：建立房间内部预测点位置与各等效声源之间的传递矩阵B(f)：
其中：表示第L个重构位置与第N个等效声源之间的格林函数；
步骤8：根据下式求解房间内各预测位置处的不同频率下的声压大小pt(f)。
pt(f)＝B(f)x*(f)。
传统的声场重构方法主要是根据结构向外辐射的噪声重构结构边界的法向振速。对于结构内部附带混响的声场，目前并没有针对性的重构研究。本方法借助在结构外部设定多个等效单极子声源来近似等效结构内部的原始声场,计算时间不受房间混响程度的影响，它只与房间内部采样传声器的数目，等效源的数目以及所考虑的声场频段有关系。在500Hz以下，本方法可准确地重构任意位置的声压大小。
Claims (3)
1.一种封闭环境内部低频声场重构方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在封闭房间内部随机选定M个传声器布置在M个位置上，标记各传声器位置为(xm,ym,zm)，m＝1,2,…,M；开启所有设备和声源，持续播放预定的白噪声信号；所述传声器之间的距离小于0.35m；
以16kHz以上的采样频率，采集时间不超过30s的封闭结构内的时域声信号，所采集的信号记为yi(t)(i＝1,2,…,M)；
步骤2：对各数据做短时傅立叶变换，获取各传声器信号的频域表示yi(f)(i＝1,2,…,M)；
步骤3：根据房间尺寸和选定的坐标系，将房间边界外推10～50cm确定为等效声源面，并将等效声源面离散为N个等效单极子声源，标记每个等效声源的位置坐标为(xn,yn,zn)，n＝1,2,…,N；
步骤4：根据等效声源和的各传声器的位置建立：
其中：表示第M个传声器与第N个等效声源之间的格林函数；
步骤5：根据下式对100～500Hz内的每个频率，采用Tikhonov正则化和L曲线法确定每个频率下的最优正则化参数和等效声源强度的最优解x*(f)：
<mrow>
<msup>
<mi>x</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>min</mi>
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<mi>A</mi>
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<mi>x</mi>
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</mrow>
<mo>-</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>|</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>|</mo>
<msub>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>}</mo>
</mrow>
其中：x(f)为等效声源的强度，λ(f)为正则化参数；
步骤6：选定房间内部若干重构位置，及各位置的坐标(xr,yr,zr)；
步骤7：建立房间内部预测点位置与各等效声源之间的传递矩阵B(f)。
2.根据权利要求1所述封闭环境内部低频声场重构方法，其特征在于：所述正则化参数选取方法采用：L曲线法和广义交叉验证GCV，Generalized cross-validation。
3.根据权利要求1或2所述封闭环境内部低频声场重构方法，其特征在于：所述L曲线法进行正则化参数λ(f)的选择：以对数log-log尺度来描述正则解||x||2与残余范数||Ax-p||2，作图得L型的曲线图，最后通过计算和判断选择L曲线拐点处的参数作为正则化参数。
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