CN108763740A - 一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，首先利用勒让德函数将期望指向性图表示成一般形式，然后由推导出的声探头权值系数与一般化期望指向性图权值系数的解析函数关系求解出双振速传感器声探头的权值系数，最后得到双振速传感器声探头的指向性图。本发明方法设计出的声探头的指向性远大于现有技术方法设计出的声探头的指向性。可根据实际需求设计具有不同指向性图的声探头，且在使用较少传感器个数的条件下获得类似于获得的灵活的指向性图。

Description

一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法

技术领域

本发明属于声学阵列信号处理、语音信号处理等领域，涉及一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，适用于方位估计、目标定位、语音识别、助听器和音乐录制等领域。

背景技术

单指向性声探头由于在较小尺寸下具有较好的指向性，在方位估计、目标定位、语音识别、助听器和音乐录制等领域具有广泛应用。早期的单指向性声探头包含两个声压传感器，其心形指向性图由声压和一阶声压梯度组合得到，如文献1“A uni-directionalribbon microphone,J.Acoust.Soc.Am.3,315-316(1932)”公开的方法。然而，这样的声探头的指向性较小，满足不了日益提高的应用要求，因此利用更高阶声压梯度的具有更好指向性的声探头被设计出来，如文献2“Third order gradient microphone for speechreception,in 38th Convention of the Audio Engineering Society,Los Angeles,1970,pp.636–640”公开的三阶梯度传声器声探头。实际上，文献3“Unidirectionalacoustic probe based on the particle velocity gradient,J.Acoust.Soc.Am.139,EL179-EL183(2016)”公开的基于振速梯度的声探头也可以获得类似于高阶声压梯度声探头的指向性，且所需要的传感器个数较少，然而该方法设计得到的声探头的指向性图是固定的，难以根据实际需求进行灵活调整。

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，本发明提出一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，避免现有技术设计出的声探头指向性图不够灵活的不足。

技术方案

一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据一般化期望指向性图B_d(θ)给定一般化期望指向性图权值系数α_n：

一般化期望指向性图B_d(θ)：

根据B_d(θ)确定给定的期望指向性图权值系数α_n，其值为实数且满足

其中：P_n(cosθ)为第n阶勒让德函数，N＝2，θ为入射平面波的俯仰角；

步骤2、计算双振速传感器声探头的权值系数：

权值系数ω₀：

权值系数ω₁：

所述

所述

其中：k＝2π/λ为波数，λ为信号波长，l为两振速传感器之间距离的一半，j_n(·)为第一类n阶球形贝塞尔函数，(·)′表示求导，

步骤3、计算双振速传感器声探头的指向性图：将权值系数ω₀和ω₁代入双振速传感器声探头的指向性图B(θ)公式：

B(θ)＝ω₀[v₀(θ)+v₁(θ)]-ω₁[v₀(θ)-v₁(θ)]

其中：v₀和v₁分别为两个振速传感器接收到的归一化振速信号，表达式分别为v₀(θ)＝cosθexp(ikacosθ)和v₁(θ)＝cosθexp(-ikacosθ)。

有益效果

本发明提出的一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，首先利用勒让德函数将期望指向性图表示成一般形式，然后由推导出的声探头权值系数与一般化期望指向性图权值系数的解析函数关系求解出双振速传感器声探头的权值系数，最后得到双振速传感器声探头的指向性图。本方法中期望指向性图可由勒让德函数表示成一般形式，双振速传感器声探头的权值系数可表示成一般化期望指向性图权值系数的解析函数形式，通过改变一般化期望指向性图的权值系数可以得到不同的声探头指向性图。

有益效果体现在：

1.本发明公开的方法设计出的声探头的指向性远大于文献1公开的方法设计出的声探头的指向性。

2.本发明公开的方法可根据实际需求设计具有不同指向性图的声探头，且在使用较少传感器个数的条件下获得类似于文献2公开的方法所获得的指向性，同时文献3公开的设计方法可看成本发明公开的方法的一个特例。

附图说明

图1是三个设计实例对应的期望指向性图；

图2(a)是双振速传感器声探头的坐标表示；

图2(b)是实验用双振速传感器声探头；

图3(a)～(c)依次是仿真得到的例1、2和3三种声探头的指向性指数；

图3(d)～(f)依次是仿真得到的l＝5.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图；

图3(g)～(i)依次是实测得到的l＝5.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图；

图3(j)～(l)依次是仿真得到的l＝13.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图；

图3(m)～(o)依次是实测得到的l＝13.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明涉及的一种具有灵活指向性图的双振速传感器声探头设计方法，利用勒让德函数给出了期望指向性图的一般形式，并在最小均方误差准则下推导出了声探头权值系数与一般化期望指向性图权值系数的解析函数关系，由此得到双振速传感器声探头的指向性图。其过程为：

1.给定一般化期望指向性图权值系数。

一般化期望指向性图B_d(θ)如下式所示：

其中P_n(cosθ)为第n阶勒让德函数，N＝2，θ为入射平面波的俯仰角；所述α_n为给定的期望指向性图权值系数，其值为实数且满足

参照图1。给出三个设计实例，其对应的一般化期望指向性图的权值系数分别为：例1：例2：α₀＝0.1887,α₁＝0.4338,α₂＝0.3775；例3：对应的期望指向性图如图1所示，其中三种期望指向性图具有相似的主瓣，但旁瓣各不相同。实际上，三种期望指向性图是上下对称的，在θ＝±90处均有一自然零点，总零点数为3或4。期望指向性图的尾瓣随着附加零点向θ＝180°处移动而下降，直至消失，因此当附加零点处于θ＝180°位置时，期望指向性图仅剩3个零点。图1所示三种期望指向性图的指向性指数分别为9.03dB，8.97dB和8.75dB，是三种实例中双振速传感器声探头所能获得的指向性指数的上限。

2.计算双振速传感器声探头的权值系数。

双振速声探头的权值系数ω₀和ω₁分别由下式计算：

所述k＝2π/λ为波数，λ为信号波长，l为两振速传感器之间距离的一半，j_n(·)为第一类n阶球形贝塞尔函数，(·)′表示求导，

3.计算双振速传感器声探头的指向性图。

将式(2)和(3)计算得到的权值系数代入下式，即可得到双振速传感器声探头的指向性图B(θ)：

B(θ)＝ω₀[v₀(θ)+v₁(θ)]-ω₁[v₀(θ)-v₁(θ)] (4)

所述v₀和v₁分别为两个振速传感器接收到的归一化振速信号，表达式分别为v₀(θ)＝cosθexp(ikacosθ)和v₁(θ)＝cosθexp(-ikacosθ)。

参照图2。对应于图2所示的双振速传感器声探头，两个振速传感器对应的接收信号分别是v₀和v₁。

参照图3。仿真时所使用的声速为344.63m/s，信噪比为30dB。图3(a)～(c)依次是是仿真得到的例1、2和3三种声探头的指向性指数，其中三个实例中的指向性指数在某些频率范围内可以达到理论值。具体地，当l＝5.5mm时，例1的指向性指数可在1kHz到4kHz的范围内达到理论的9.03dB，而当l＝13.5mm时，该频率范围变为0.4kHz至1.6kHz。其余两个例子的相应频率范围类似。随着频率的降低，稳健性会下降，导致对噪声的敏感性变大，由此造成低频段的指向性指数接近于单振速传感器的指向性指数，即4.77dB。在较高频率范围内，由于最小均方误差变大，本发明公开的方法不再适用。由图3(a)～(c)可知，指向性指数接近理论值的频率范围会随着两振速传感器间距离的增加而向低频段移动。

对于图2(b)所示的实验用双振速传感器声探头，两振速传感器间的距离可以调节。实验在消声室中进行，其中消声室可对1kHz以上频率的声信号进行有效消除，消声室中的声速为344.63m/s。一扬声器位于距声探头中心40cm处，可认为是远场声源。发射信号为高斯白噪声，信噪比为30dB。实验中，双振速传感器声探头以10°为间隔从-180°旋转至180°依次接收信号。信号经采样后存储在电脑中，其中采样频率为48kHz，然后利用本发明公开的方法进行离线处理。

图3(d)～(f)依次是仿真得到的l＝5.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图，图3(g)～(i)依次是实测得到的l＝5.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图，图3(j)～(l)依次是仿真得到的l＝13.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图，图3(m)～(o)依次是实测得到的l＝13.5mm时例1、2和3三种声探头的指向性图。由图示结果可知，两种距离情况下声探头的实测指向性图与仿真得到的指向性图，在主旁瓣的形状和幅度随角度频率的变化趋势上均吻合得很好。存在的一些随机误差可能是由于测试环境和声探头本身的散射所引起的，不是本方法本身导致的。

Claims (1)

1.一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据一般化期望指向性图B_d(θ)给定一般化期望指向性图权值系数α_n：

一般化期望指向性图B_d(θ)：

根据B_d(θ)确定给定的期望指向性图权值系数α_n，其值为实数且满足

其中：P_n(cosθ)为第n阶勒让德函数，N＝2，θ为入射平面波的俯仰角；

步骤2、计算双振速传感器声探头的权值系数：

权值系数ω₀：

权值系数ω₁：

所述

所述

其中：k＝2π/λ为波数，λ为信号波长，l为两振速传感器之间距离的一半，j_n(·)为第一类n阶球形贝塞尔函数，(·)′表示求导，

步骤3、计算双振速传感器声探头的指向性图：将权值系数ω₀和ω₁代入双振速传感器声探头的指向性图B(θ)公式：

B(θ)＝ω₀[v₀(θ)+v₁(θ)]-ω₁[v₀(θ)-v₁(θ)]

其中：v₀和v₁分别为两个振速传感器接收到的归一化振速信号，表达式分别为v₀(θ)＝cosθexp(ikacosθ)和v₁(θ)＝cosθexp(-ikacosθ)。