Page 22 - 《应用声学》2022年第1期

18 2022 年 1 月

表 2 SNR = 15 dB、300 Hz 下，3 种算法对两相 FUNBF、EHR-CLEAN-SC算法由于在低频导向矢
干声源 50 次仿真定位误差的方差 量的相干性较强，波束的主瓣较宽，导致声源位置估
Table 2 The variance of the localization 计误差较大，无法达到声成像要求。SHD-L2-GIBF、
error of the three algorithms for 50 times L1-GIBF 和球谐系数估计法有较好的性能。其中
simulation of two coherent sound sources at
L1-GIBF 算法由于要进行最优化迭代，拥有较高分
f = 300 Hz, SNR = 15 dB
辨率，可用于区分距离较近的声源，但是计算复杂度
误差方差 θ 1 φ 1 θ 2 φ 2 较高，且算法稳定性较差。球谐系数估计法由于模
L1-GIBF 3.69 3.24 8.64 8.24 态展开的频率无关性，可以直接实现频域聚焦，拥有
球谐系数估计法 1.89 4.05 3.96 3.69 较好的定位性能。SHD-L2-GIBF 的声成像由于球
SHD-L2-GIBF 3.96 3.96 4.05 3.69 谐分解预处理的截断作用，高频的误差及噪声对算
法的影响效果减弱，为算法提供了数值稳定性。通
2.3 阵元位置误差
过多次实验得到误差均值及方差的表格对比，可以
由于在实际应用中，阵元位置误差可能会引起 定量得到 SHD-L2-GIBF 在此条件下比其他算法定
一定程度上的算法性能损失。因此仿真引入每个阵 位误差高，即算法的准确度较高。在阵元位置误差
元存在均值0、方差为1 cm的随机位置误差，再进行 存在下，SHD-L2-GIBF 的误差均值及方差最小，即
上述 3 种低频相干声源声成像算法 50 次仿真计算
算法的鲁棒性较好；并且相较最优化迭代一范数方
可以得到定位误差均值和方差，如表3和表4所示。
法，此算法步骤计算复杂度较低，物理意义明确，可
表 3 SNR = 15 dB、300 Hz 下，在随机阵元位置 以量化地衡量声场，为后续实现实时处理研究提供
误差下，对两相干声源 50 次仿真定位误差的均值
较大可能性。
Table 3 The mean of the localization error of
the three algorithms for 50 times simulation 2.4 半消声室实验结果
of two coherent sound sources at f = 300 Hz,
四阵元单球阵的实物图见图 4(a)，由于实际实
SNR = 15 dB with random microphone posi-
验中硬件设备只有一个四阵元阵，无法实现直接测
tion error
量 32 阵元数据，因此实验时分别对 8 个位置测 8 次
误差均值 θ 1 /( ) φ 1 /( ) θ 2 /( ) φ 2 /( ) 四阵元数据，并在每次测试时，于建立的坐标系原
◦
◦
◦
◦
L1-GIBF 15 84 19.5 71 点处放置参考传声器，通过互相关确定时延从而
球谐系数估计法 11.4 4.8 3.3 5.1 进行 32 阵元采集数据的时间同步，得到完整实验
SHD-L2-GIBF 3.3 3.6 1.5 3.6 数据。
在中国科学院声学研究所半消声室进行实
表 4 SNR = 15 dB、300 Hz 下，在随机阵元位
验，实验搭建场景在图 4(b) 中展示。用两个索尼
置误差下，对两相干声源 50 次仿真定位误差的方差
SRS-XB01 音箱作为声源，同时发出等能量的相同
Table 4 The variance of the localization
白噪声并用四阵元子阵进行记录，每次子阵阵列
error of the three algorithms for 50 times
的位置示意图如图 2(a) 中蓝色星号所示。两个音
simulation of two coherent sound sources at
◦
◦
◦
f = 300 Hz, SNR = 15 dB with random mi- 箱分别位于 (θ 1 = −135 , ϕ 1 = 75 ) 和 (θ 2 = 60 ,
crophone position error ϕ 2 = 120 ) 处。在 300 Hz 处各个算法声成像结果
◦
见图5。
误差方差 θ 1 φ 1 θ 2 φ 2
根据声成像谱图计算其中3 种可以定位算法在
L1-GIBF 329.4 1313 311.85 6514
半消声室实验中的误差结果，见表5。
球谐系数估计法 19.44 9.36 9.81 12.69
与 2.1 节仿真结果对比，可见实验结果与仿真
SHD-L2-GIBF 4.41 6.84 5.85 21.24
结果类似，说明阵型和算法具有较高的可行性，且
通过上述分析得到结论，在此分布式开放 SHD-L2-GIBF 算法在此阵列基础上准确性和鲁棒
球形阵列阵型配置下，低频相干声源时 CFDBF、 性较好。