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      汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列布放位置優(yōu)化方法研究*

      2020-05-08 07:36:50郭慶王明杰徐翠鋒蘇海濤
      科技與創(chuàng)新 2020年8期
      關(guān)鍵詞:場(chǎng)點(diǎn)汽車模型標(biāo)號(hào)

      郭慶,王明杰,徐翠鋒,蘇海濤

      汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列布放位置優(yōu)化方法研究*

      郭慶,王明杰,徐翠鋒,蘇海濤

      (桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西 桂林 541004)

      麥克風(fēng)陣列在語(yǔ)音信號(hào)采集中被廣泛應(yīng)用,其布放位置直接影響語(yǔ)音信號(hào)的采集質(zhì)量,所以提出了一種汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法。首先建立汽車模型,設(shè)置模型內(nèi)各部分的材料和屬性,然后在模型內(nèi)放置聲源和麥克風(fēng)陣列進(jìn)行仿真。通過仿真,可以得到陣列上麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在聲源作用下的頻率響應(yīng),再通過運(yùn)算得出聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù),最后利用不平坦度和平均幅值差對(duì)各麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),分析汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列的最佳布放位置。

      麥克風(fēng)陣列;直接邊界元;位置優(yōu)化;空間域信息

      隨著汽車電子設(shè)備的發(fā)展,語(yǔ)音日漸成為汽車內(nèi)人機(jī)交互的主要方式。對(duì)駕駛員語(yǔ)音信號(hào)的有效采集是語(yǔ)音信號(hào)處理的前提,它直接影響車載語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性[1]。傳統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)處理是利用單個(gè)麥克風(fēng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,根據(jù)信號(hào)的時(shí)域、頻域信息對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。隨著信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步,20世紀(jì)70年代陣列信號(hào)處理技術(shù)被應(yīng)用到語(yǔ)音信號(hào)處理當(dāng)中。麥克風(fēng)陣列采集到的信號(hào)不僅包含時(shí)域和頻域信息,同時(shí)還增加了信號(hào)的空間域信息[2]。為了保證語(yǔ)音信號(hào)采集質(zhì)量,需要對(duì)汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列的位置進(jìn)行優(yōu)化,所以本文提出了一種汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法,并利用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

      為了找到麥克風(fēng)陣列在汽車內(nèi)的最佳布放位置,本文利用LMS Virtual.Lab軟件進(jìn)行仿真,在汽車模型內(nèi)放置聲源和不同位置的麥克風(fēng)陣列,其中麥克風(fēng)陣列上包含5個(gè)等間距的麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)。通過仿真可以得到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在聲源作用下的聲壓頻率響應(yīng),經(jīng)過換算得出聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù),然后利用不平坦度和平均幅值差對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),從而確定麥克風(fēng)陣列在汽車內(nèi)最佳的布放位置,為駕駛員語(yǔ)音信號(hào)的有效采集提供保障。

      1 陣列位置優(yōu)化理論分析

      汽車內(nèi)部為一個(gè)箱體,駕駛員語(yǔ)音會(huì)在汽車內(nèi)部發(fā)生反射和衍射,通過多條路徑最終到達(dá)麥克風(fēng)陣列,聲源到麥克風(fēng)陣列的聲音傳播路徑如圖1所示,其中麥克風(fēng)陣列上包含5個(gè)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)。

      汽車內(nèi)語(yǔ)音信號(hào)的傳播可以近似為線性時(shí)不變系統(tǒng),在線性時(shí)不變系統(tǒng)中利用沖激響應(yīng)來(lái)反映系統(tǒng)的性能。本文在仿真中利用單極子聲源作為系統(tǒng)的輸入,在聲源作用下麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓頻率響應(yīng)作為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)[3],利用輸入和輸出響應(yīng)得到聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù),其所近似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖1 語(yǔ)音信號(hào)傳播路徑示意圖

      圖2 語(yǔ)音傳播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      圖2中()為時(shí)域下單極子聲源信號(hào),()為時(shí)域下麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓頻率響應(yīng),()為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的輸出可以表達(dá)為:

      ()=()×() (1)

      ()=()() (2)

      式(1)(2)中:(),(),()分別為(),(),()的頻域表示,從而可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

      ()=()/() (3)

      在線性時(shí)不變系統(tǒng)中可以通過分析系統(tǒng)沖激響應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能[4],所以,本文對(duì)聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),分析麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)位置的優(yōu)劣,最終得出汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列的最佳布放位置。

      2 汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列響應(yīng)仿真及評(píng)價(jià)

      2.1 汽車內(nèi)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)仿真

      利用Virtual.Lab中的聲學(xué)仿真模塊Virtual Lab acoustics進(jìn)行仿真,因?yàn)槠嚹P蛢?nèi)部是一個(gè)封閉的模型,所以選擇聲學(xué)模塊下的直接邊界元法對(duì)聲學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算[5],仿真使用的汽車模型如圖3所示。

      圖3 汽車模型圖

      本文以駕駛員語(yǔ)音信號(hào)處理為例進(jìn)行仿真,將單極子聲源放置在駕駛員頭部位置模擬駕駛員語(yǔ)音。汽車模型由多個(gè)部分組成,對(duì)模型內(nèi)各部分進(jìn)行分組,設(shè)置不同組的材料和吸聲屬性,使汽車模型內(nèi)各部分對(duì)聲音的傳遞更切合實(shí)際。在汽車模型內(nèi)放置麥克風(fēng)陣列,麥克風(fēng)陣列有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文選擇均勻線性麥克風(fēng)陣列進(jìn)行仿真,陣列上包含5個(gè)間距為20 cm的麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)。考慮到實(shí)際駕駛情況,麥克風(fēng)陣列的布放位置主要有2個(gè):駕駛員前方偏上的擋風(fēng)玻璃最上端(麥克風(fēng)陣列A)、駕駛員前方偏下的儀表盤位置(麥克風(fēng)陣列B)。汽車模型內(nèi)聲源和麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)布放位置如圖4所示。通過仿真可以獲得麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在聲源作用下的聲壓頻率響應(yīng),從而可以得到聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù),通過對(duì)場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的評(píng)價(jià)分析麥克風(fēng)陣列的最佳布放位置。

      圖4 麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)布放位置

      2.2 評(píng)價(jià)方法

      麥克風(fēng)陣列所采語(yǔ)音信號(hào)要在不失真的情況下進(jìn)行處理,這要求聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)間的傳遞函數(shù)具有平坦的響應(yīng)幅度,選擇不平坦度對(duì)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因?yàn)槿藢?duì)聲音信號(hào)的相位不敏感,所以本文不評(píng)價(jià)傳遞函數(shù)的相位。這里利用信號(hào)的方差反應(yīng)信號(hào)的不平坦度,其數(shù)值越小表示場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)越平坦,則不平坦度為:

      式(4)中:為麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的不平坦度;為場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)上各頻點(diǎn)的幅值;為場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)上所有頻點(diǎn)幅值的平均值;為場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的頻點(diǎn)數(shù)。

      在聲源作用下,麥克風(fēng)陣列所采信號(hào)的幅值越大說(shuō)明信號(hào)的衰減程度越小,越有利于語(yǔ)音信號(hào)的處理,所以本文利用平均幅值差對(duì)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。平均幅值差可以有效反應(yīng)兩個(gè)對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)在單個(gè)頻率點(diǎn)上的平均幅值差距,其計(jì)算公式為:

      式(5)中:max為場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的最高頻率;△為麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的頻率步長(zhǎng),20 Hz;iy為麥克風(fēng)陣列A上第個(gè)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在頻率為時(shí)的傳遞函數(shù)幅值;iy為麥克風(fēng)列陣B上第個(gè)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在頻率為時(shí)的傳遞函數(shù)幅值。

      3 仿真數(shù)據(jù)分析

      通過仿真,可以獲得麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在聲源作用下的響應(yīng)信號(hào),然后利用式(3)得到聲源到麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。利用不平坦度和平均幅值差對(duì)各場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)比麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)聲源信號(hào)采集的性能,確定汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列的最佳布放位置。

      數(shù)字電話機(jī)的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)是300~3 400 Hz,但是實(shí)際人聲頻率最低可達(dá)20 Hz[6],且人講話的頻率主要集中在20~1 200 Hz,所以本文討論的語(yǔ)音頻率范圍有20~3 400 Hz、20~1 200 Hz。本文在對(duì)比分析麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)時(shí),利用汽車模型中不同陣列相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)(圖4中標(biāo)號(hào)為A1和B1的場(chǎng)點(diǎn)為一組進(jìn)行對(duì)比,標(biāo)號(hào)為A2和B2的場(chǎng)點(diǎn)為一組進(jìn)行對(duì)比,標(biāo)號(hào)為A3和B3的場(chǎng)點(diǎn)為一組,標(biāo)號(hào)為A4和B4的場(chǎng)點(diǎn)為一組,標(biāo)號(hào)為A5和B5的場(chǎng)點(diǎn)為一組進(jìn)行對(duì)比)。

      3.1 頻帶為20~3 400 Hz麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)分析

      當(dāng)頻帶為20~3 400 Hz時(shí),對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)對(duì)比曲線如圖5所示(圖例為麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)標(biāo)號(hào))。計(jì)算麥克風(fēng)陣列上場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)曲線的不平坦度和平均幅值差,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

      從圖5和表1中可以發(fā)現(xiàn),麥克風(fēng)陣列A的5個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線平坦度較優(yōu)。麥克風(fēng)陣列A上標(biāo)號(hào)為A1、A2、A3、A4的麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值小于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值(平均幅值差為負(fù)數(shù)),麥克風(fēng)陣列A上標(biāo)號(hào)為A5的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值(平均幅值差為正數(shù)),同時(shí)兩個(gè)麥克風(fēng)陣列平均幅值差數(shù)值很小,其平均幅值相近。

      圖5 20 Hz~3 400 Hz場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)應(yīng)曲線

      表1 20~3 400 Hz場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的評(píng)價(jià)參數(shù)值

      對(duì)比組場(chǎng)點(diǎn)標(biāo)號(hào)不平坦度平均幅值差 第一組A10.045 1﹣0.001 B10.068 3 第二組A20.0312﹣0.039 9 B20.052 1 第三組A30.024 3﹣0.003 4 B30.031 2 第四組A40.020 7﹣0.024 5 B40.053 4 第五組A50.038 30.004 8 B50.070 5

      3.2 頻帶為20~1 200 Hz麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)分析

      人在交流的時(shí)候語(yǔ)音頻率主要集中在20~1 200 Hz,各麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)在20~1200 Hz頻段內(nèi)的傳遞函數(shù)曲線如圖6 所示。對(duì)應(yīng)20~1 200 Hz頻帶內(nèi)各場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線的不平坦度和平均幅值差如表2所示。

      從圖6和表2中可以發(fā)現(xiàn)麥克風(fēng)陣列A的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)曲線的不平坦度數(shù)值較小,說(shuō)明麥克風(fēng)陣列A的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)比麥克風(fēng)陣列B的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)更平坦。幅值方面,麥克風(fēng)陣列A上標(biāo)號(hào)為A1、A3和A5場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值,標(biāo)號(hào)為A2和A4場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值小于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值。

      4 結(jié)論

      本文提出了一種汽車內(nèi)麥克風(fēng)陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法,通過對(duì)麥克風(fēng)陣列布放位置的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源信號(hào)的有效采集,為后面語(yǔ)音信號(hào)的處理提供有力的支撐。以駕駛員語(yǔ)音的采集為例進(jìn)行仿真,分析麥克風(fēng)陣列的最佳布放位置,通過對(duì)兩種頻帶下麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的評(píng)價(jià),得出如下結(jié)論:在各頻帶下麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)具有類似的規(guī)律,從平坦度的角度看,麥克風(fēng)陣列A的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)優(yōu)于麥克風(fēng)陣列B的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)。從幅值的角度看,麥克風(fēng)陣列A上有的場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值,有的則小于同組的麥克風(fēng)陣列B上場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)幅值,且整體上兩個(gè)麥克風(fēng)陣列的平均幅值相近。綜合考慮評(píng)價(jià)結(jié)果,麥克風(fēng)陣列應(yīng)該安裝在汽車內(nèi)前擋風(fēng)玻璃的最上端,即麥克風(fēng)陣列A的位置,該位置更有利于采集駕駛員語(yǔ)音信號(hào)。

      圖6 20 Hz~1 200 Hz場(chǎng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線

      表2 20~1 200 Hz場(chǎng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的評(píng)價(jià)參數(shù)值

      對(duì)比組場(chǎng)點(diǎn)標(biāo)號(hào)不平坦度平均幅值差 第一組A10.084 80.008 7 B10.154 3 第二組A20.062 9﹣0.041 6 B20.117 3 第三組A30.055 10.000 3 B30.071 7 第四組A40.040 8﹣0.081 B40.118 1 第五組A50.0640.015 6 B50.161 7

      [1]李政儀,宮二玲,曹孟華.圓形平面麥克風(fēng)陣列構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2019,38(10):15-17,24.

      [2]陸振宇,何玨杉,趙為漢.關(guān)于多通道語(yǔ)音去噪的識(shí)別優(yōu)化研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2016,33(6):315-320.

      [3]潘立登,潘仰東.系統(tǒng)辨識(shí)與建模[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

      [4]WANG Q G,GUO X,ZHANG Y.Direct identification of continuous time delay systems from step responses[J].Process Control,2001(11):531-540.

      [5]劉昕洋.基于LMS Virtual.Lab的窗體及墻體聲學(xué)特性分析[D].南昌:南昌航空大學(xué),2016.

      TN641

      A

      10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.012

      2095-6835(2020)08-0033-03

      廣西科技基地和人才專項(xiàng)“電動(dòng)揚(yáng)聲器異音智能檢測(cè)與自動(dòng)分類系統(tǒng)開發(fā)”(編號(hào):桂科AD19110026);廣西自然科學(xué)基金青年基金“基于聽覺感知改善汽車內(nèi)聲品質(zhì)的主動(dòng)控制算法研究”(編號(hào):2016GXNSFBA380117)

      郭慶(1962—),男,陜西武功人,學(xué)士,教授,主要研究方向?yàn)榍度胧綔y(cè)控系統(tǒng)、微信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、虛擬儀器。

      〔編輯:張思楠〕

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