[發(fā)明專利]基于聲學超材料的單通道多聲源定位與分離裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910911975.2
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110703200B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫雪聰;賈晗;楊軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22;G10L21/028
• 代理公司: 北京方安思達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;王蔚

1.一種基于聲學超材料的單通道多聲源定位與分離裝置，其特征在于，所述裝置包括：超材料球殼、麥克風、信號采集模塊和信號處理模塊；

所述的超材料球殼包括三層同圓心的半球，每層半球的表面均設(shè)置多個尺寸不同的圓孔，圓孔之間無重疊；各層之間設(shè)置若干塊橫向和縱向的隔板；所述的超材料球殼用于對來自三維空間中不同方向的信號進行物理層的編碼；

所述單通道麥克風置于球殼的球心處；用于拾取被超材料球殼調(diào)制的信號；

所述信號采集模塊，用于對麥克風的輸出信號進行采集；

所述信號處理模塊，用于存儲訓練得到的相關(guān)參數(shù)和字典，還用于利用相關(guān)參數(shù)和字典對采集的信號進行定位與分離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的超材料球殼的三層半球的半徑分別為24cm,16.8cm,7.2cm；共設(shè)置8塊橫向的隔板和16塊縱向的隔板，把球殼的腔體分為24個獨立區(qū)域；最內(nèi)層的半球的底面上設(shè)置吸聲棉。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的超材料球殼的材料為塑料或金屬。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的裝置，其特征在于，所述的超材料球殼采用3D打印、激光切割或數(shù)控加工制成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述麥克風為全指向性麥克風。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述相關(guān)參數(shù)和字典的訓練步驟包括：

步驟101)對需要定位的三維空間進行網(wǎng)格劃分，離散成N個格點，編號為1～N；

步驟102)選定語料庫，包含M種不同的信號，編號為1～M；

步驟103)在所有格點處放置揚聲器，依次播放語料庫中的所有信號作為訓練信號；

步驟104)訓練信號在空間中自由傳播至超材料球殼表面，被超材料球殼調(diào)制后，由麥克風拾取，信號采集模塊對麥克風的輸出信號進行采集，輸出至所述信號處理模塊；

步驟105)所述信號處理模塊對訓練信號進行分幀、加窗和短時傅里葉變換處理，得到每個訓練信號每一幀的頻譜，作為該訓練信號的訓練集；

第n個格點的第m個音頻信號的訓練集組成的矩陣X_nm為：

其中，為第q幀信號的頻譜在ω_p頻率處的幅值，其中p＝1,2,...,P,q＝1,2,...,Q，P為短時傅里葉變換的總頻點數(shù)，Q為信號分幀的總幀數(shù)；

步驟106)將所有信號的訓練集的矩陣進行合并，得到全部信號的訓練集矩陣

X＝[X₁₁…X_1M X₂₁…X_2M…X_N1…X_NM]

計算矩陣X每一維特征的均值μ和標準差σ：

μ＝[μ₁,μ₂,...,μ_P]^T,

σ＝[σ₁,σ₂,...,σ_P]^T,

其中，x_ij為矩陣X第i行第j列的元素；L為訓練集樣本總數(shù)，L＝Q×M×N；μ_i為均值μ的第i個分量；σ_i為標準差σ的第i個分量；

步驟107)對矩陣X進行標準化，得到標準化的訓練集矩陣該矩陣的第i行j列的元素為：

使用主成分分析方法計算訓練集的投影矩陣

步驟108)使用投影矩陣B對標準化后的訓練集矩陣進行降維，得到字典

步驟109)信號處理模塊保存均值μ、標準差σ、投影矩陣B和字典A。