[發明專利]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

• 申請號: 201910911975.2
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110703200B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 孫雪聰;賈晗;楊軍
• 申請（專利權）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權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;王蔚

本發明公開了一種基于聲學超材料的單通道多聲源定位與分離裝置，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置多個尺寸不同的圓孔，圓孔之間無重疊；各層之間設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參數和字典，還用于利用相關參數和字典對采集的信號進行定位與分離。本發明的裝置不需要多通道數據同步采集，系統簡單，便攜性更強，也更易操控。

技術領域

本發明涉及聲源定位與分離領域，特別涉及基于聲學超材料的單通道多聲源定位與分離裝置及方法。

背景技術

在人工系統中，聲源定位和分離的傳統方法常常需要使用兩個及以上的麥克風，該方法的定位和分離的精度往往受到陣列物理尺寸和麥克風個數的限制，不僅不便于安裝和操控，處理多通道信號的計算成本往往也很大，導致在一些特殊場合無法得到應用。而對諸如人等許多生物體而言，僅依靠兩只耳朵就能完成高精度的定位和分離任務,甚至只需要一只耳朵。導致這種差異的原因主要有兩個：首先，人的耳朵并不像麥克風一樣是直接裸露在空氣中的，聲波到達耳膜之前會受到頭部、肩膀、外耳和耳道等一系列散射作用，由于這些結構是不規則的，因此最終收到的來自空間各個方向的信號也就具有了差異性，而人腦正是基于這樣的差異性完成后續的定位和分離任務的，上述散射過程被建模為頭部相關傳遞函數(Head-related transfer function,HRTF)。其次，人腦有很強的學習能力，可以基于自己多年的聽音經驗所獲得的先驗知識，對聲音進行定位和分離。心理學研究還發現，與成人相比嬰兒的單耳定位能力較差，這可能就是因為嬰兒的聽音經驗較少，還無法很好的獲得典型聲音的先驗知識。

因此，受上述濾波機制啟發，可以為麥克風加上外殼并結合與之相適應的重建算法實現單通道定位與分離。所述的麥克風外殼需要打破單麥克風原有的全指向特性，使得整個系統的頻響函數隨方向改變而改變。近幾年，聲學超材料(Acoustic metamaterials)因其非凡的聲波調制能力而受到了廣泛關注，它可以用于通過創建高頻率依賴性和空間復雜的測量模式來編碼來自不同空間位置的獨立聲學信號，是制作超材料球殼的首選。所述的重建算法需要為定位分離系統提供一定的先驗知識，使其具備一定的學習能力。壓縮感知技術是近些年提出的一種尋找欠定線性系統的稀疏解的技術。構建合適的稀疏字典和相應的信號重建算法是壓縮感知領域的核心研究內容。

現有的基于超材料的單通道定位分離系統所設計的超材料外殼是二維的，如申請號為201811497943的中國專利，因此其主要關注的是二維空間的定位與分離問題。且所用的重建算法需要在復數域構建字典，不僅在信號采集階段需要使用額外的參考麥克風，重建過程也具有較高的計算復雜度，致使整個系統的實時性較差。

綜上所述，考慮到實際應用中的聲源多是在三維空間內隨機出現的，且若要在追蹤等領域進行應用，需要系統有較好的實時性。因此構建一個的三維的單通道聲源定位與分離系統，并提出一個與之相適應的低復雜度的重建算法是一個值得探索的問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種基于聲學超材料的單通道多聲源三維定位裝置，該裝置在硬件上僅依賴一個超材料球殼和一個單通道麥克風，就能夠實現三維空間內的聲源定位與分離，在保證準確性的同時還具有很好的實時性。

為實現上述目的，本發明提出了一種基于聲學超材料的單通道多聲源定位與分離裝置，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置多個尺寸不同的圓孔，圓孔之間無重疊；各層之間設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制的信號；