[發明專利]基于傳聲器隨機采樣的封閉空間低頻聲場再現方法

有效

• 申請號: 202010109592.6
• 申請日: 2020-02-22
• 公開（公告）號: CN111272274B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 陳克安;胥健;王磊
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G06F17/16
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

本發明提出一種基于傳聲器隨機采樣的封閉空間低頻聲場再現方法，利用多個傳聲器在封閉空間中隨機位置采樣，不需要利用球形陣列等傳聲器陣列，在保證再現精度的同時，操作更為簡捷靈活，測試成本低；再通過平面波的空間域分解方法，進行聲場記錄和復現；并針對平面波模型基數大導致的計算速度問題，提出采用分裂增廣拉格朗日收縮算法SALSA，相比復數坐標下降算法，計算速度大大加快，使得平面波模型可以適用于全空間非穩態聲場的再現。

技術領域

本發明屬于空間聲場記錄和復現技術領域，具體為一種基于傳聲器隨機采樣的封閉空間低頻聲場再現方法。

背景技術

在許多工程應用中，空間聲場分布特性、場點的時頻特性、揚聲器至傳聲器的聲傳遞函數(時域上稱脈沖響應)等先驗信息的獲取十分重要。例如在對封閉空間低頻噪聲進行有源控制時，面臨的首要困惑即是未知噪聲的時間和空間分布特性，從而難以提出有效的評估與解決方案。為此，國內外學者在高精度還原真實聲場特性方面開展了深入研究，提出了很多聲場再現(sound field reconstruction，SFR)方法。

所謂SFR技術，是指通過建立數學模型，利用特定的算法以數值方式計算或預測目標聲場參數，以數據、圖像或音頻等形式呈現目標聲場(即聲場的可視化或可聽化)。較為成熟的SFR技術包括有限元、邊界元、統計能量分析等方法，雖然這些方法發展較為成熟，且有商業軟件提供強大的計算能力，但由于難以模擬真實的載荷和邊界條件，計算結果與實際聲場分布仍有差距。因此，基于實際測量的再現方法仍然是最可靠且高效的方法。

由于Shannon-Nyquist采樣定理的限制，直接在三維封閉空間逐點測量整個聲場的時空特性需要耗費極大的測試成本。一種替代方法是對聲場進行內插和外推，即在空間未測量位置估計其聲壓。該方法基于聲場的基函數分解，通過求解其展開系數，利用基函數及其展開系數乘積的線性疊加再現聲場的聲壓。由于該方法不需要預知封閉空間的幾何形狀和邊界條件，并且分解形式靈活多樣，因此更適合于工程應用。實際中常見的基函數有平面波、柱諧函數、球諧函數等等。

基于基函數分解的SFR方法一般步驟為：①首先利用傳聲器陣列(圓形陣列、平面陣列、球形陣列等多種形式)進行現場聲場采集；②然后構造最小二乘逆問題或者稀疏復原問題，求解基函數(平面波或球諧函數)展開系數；③之后通過聲場內插或外推公式，由展開系數估計任意場點的聲壓。

在現場聲場采樣方面，球形陣列由于形式多樣、信號處理方法簡單高效、能有效采集來自各方向的三維聲場等優點，成為首要選擇。但是不同形式的球形陣列各有優缺點，如空心球陣存在“Bessel零點”問題，剛性球陣不適合靠近艙室壁面測量，心形球陣容易引入相位失配誤差等等，因此球形陣列在實際應用中的通用性不佳，需要根據具體情況選擇合適的類型和配置。另外，購置球形陣列也需要額外的經費成本。

在再現算法方面，由于封閉空間聲模態的稀疏性，應用壓縮感知理論，構造L₁范數松弛的稀疏復原問題進行求解，能夠在減少采樣點數的同時，保證SFR的精度。求解方法一般將上述L₁范數松弛的稀疏復原問題等價為拉格朗日形式的L₁范數約束的最小二乘問題(也稱為Lasso問題)，利用復數坐標下降算法求解。

此外，基函數一般選擇平面波或球諧函數。其中，球諧函數模型維數小，計算速度快，一般采用球形陣列，能夠有效再現球形陣列附近區域的聲場，但在遠離球形陣列位置會出現聲場扭曲，因此更適合于局部空間穩態和非穩態SFR；而平面波模型可采用各種陣列形式，雖然適合于全空間的穩態SFR，但是其維數大，計算速度慢。

發明內容

為了節省球形陣列設備購置成本，簡化球形陣列類型和配置的優化選擇工作，本發明提出利用多個傳聲器在封閉空間中隨機位置采樣，操作更加簡捷靈活，再通過平面波的空間域分解方法，進行聲場記錄和復現。