Page 143 - 应用声学2019年第5期

第 38 卷 第 5 期 李悟等： 利用声音反射信号重建室内空间结构的研究 895

间，尤其是介质中传输的时间在室内这种复杂的多
0 引言
径环境下很难精确测定，无法直接去除。本文针对
在室内声源定位的过程中，由于复杂的室内环 文献 [8] 方法中引入的信号传播距离存在误差的问
境造成的混响会干扰对声源位置的判断，很难仅仅 题，提出了一种基于到达时间差(Time difference of
通过传声器阵列对声源进行准确定位。近年来对声 arrival, TDOA) 最小二乘误差的室内建图方案，利
源定位的一系列研究表明，在已知室内空间结构的 用到达时间做差的方法消除时间延迟，通过最小二
前提下，可以建立更加准确的室内混响模型，有效分 乘误差判断一阶反射信号，并实现待测房间几何结
离反射信号和直达信号，实现更加精准的声源定位。 构的推测。
如文献 [1–2] 提出：在进行声源定位之前，利用定向
1 系统设计原理
声源估计地板、天花板和墙的位置对于辅助声源定
位具有重要的作用；文献 [3] 同时提出：利用有限元
1.1 image模型
分析法建立的室内声场模型可以辅助多声源同时
image 模型是由 Allen 等 [9] 提出的一种描述小
定位。
房间混响的声学模型。文中假设声源发出的信号一
在研究室内空间结构重构方面，声信号易于收
部分沿直线传播直接被传声器所接收，另一部分经
发处理被视为实现室内结构重构的理想信号。关
过墙面或者障碍物反射被传声器接收，反射符合镜
于这方面的研究，不少学者也做出了很多杰出的工
面反射规律，入射角等于反射角。该方法利用反射
作。Dokmanić 等 [4] 在2011年提出了基于声源传声
阶数 (声波经过墙壁、地板、天花板反射的次数) 和
器一体的方案，借助 image 模型利用一阶、二阶反
房间维数表示房间混响，适用于具有规则几何结构
射信号到达时间，通过矩阵变换确定房间结构；文
的房间。声音在房间内传播模型类似于一个多径信
献 [5] 提出利用脉冲信号的反射到达时间和遗传算
道，描述房间信道情况可以用以下公式表示：
法估计矩形或者 L 形房间的几何结构；文献 [6]提出
∑
将传声器和声源假设为椭圆的两个焦点，通过寻找 h(t) = a i δ(t − τ i ), (1)
公切线的方式确定墙壁位置；文献[7]利用墙面反射 i
系数、各墙之间的距离、方位角、房间高度建立房 式 (1) 中，h(t) 代表房间时域冲激响应，a i 代表每一
间冲激响应模型，通过 L1 正则化成本函数来求解 个信道的增益，τ i 代表每一个信道的时延。image模
以上数值重建出房间结构；Dokmanić 等在文献 [8] 型如图1所示。
中改善了他们的方案，利用欧式距离阵 (Euclidean
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distance matrices, EDM) 特性分类一阶反射信号
n i
到达时间，借助image模型重构出房间结构。
p i
以上方法虽然在一定程度上解决了房间几何 ᄰ᣺ηՂ
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重构的问题，但是每一种方法都有其局限性。文
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献 [4] 提出的方法利用了二阶反射信号，但是，由于
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二阶信号十分微弱，不能保证每次实验都能接收到
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完整的二阶信号，缺乏实用性；文献 [5] 提出的方法
n j
需要找到一个合适的物理模型才能说明其理论的
正确性；文献 [6] 提出的方法利用了一阶、二阶反射
信号的第一到达时间，但是该时间无法通过冲激响
应直接判断；文献[7] 提出的方法需要处理一个非常
复杂的矩阵，对建图效率有很大影响；文献 [8] 提出 s ij
的方法引入了欧氏距离阵，但是这种方法在收发存
图 1 image 模型下的一阶镜像源和二阶镜像源
在时间延迟的情况下误差很大，时间延迟来源于信 Fig. 1 Image source model for first-and second-
号收发处理时间、信号响应时间和介质中传输的时 order echoes