Page 129 - 《应用声学》2022年第4期

第 41 卷 第 4 期 陈勇等： 传声器阵列声压级在线校准 627

the sound pressure level difference between the multi-noise environment and the single noise environment
through experiments. The calibration method expressed a good accuracy and robustness by results, and can
be applied to any type of microphone array sound source localization device.
Keywords: Outdoor noise monitoring; Beamforming; Online sound pressure level calibration; MEMS micro-
phone; TDOA sound source localization
噪声监测时，传声器阵列采集的信号是波束形成后
0 引言
的整体输出，本文介绍了一种对传声器阵列整体进

近年来，户外噪声监测研究随着环境噪声污染 行在线声压级校准的方法。该方法基于一种计算量
的日趋严重而得到极大发展 [1] 。当在户外环境中 相对较小的到达时间差(Time difference of arrival,
TDOA) 声源定位方法，利用环境干扰声源的瞬态
对某一目标噪声源进行声压级测量时，为了有效抑
制非目标声源的干扰，胡文林等利用传声器阵列进 特性，在每个时频点挑选出目标声源的有效信号值，
通过在线补偿校准传声器与阵列输出信号之间的
行波束形成从而对目标信号进行增强 [2−4] 。常见的
目标声源声压级差，从而校准传声器阵列测量的声
波束形成信号增强算法包括：延时求和波束形成法
压级。上述声压级校准实验在全消环境中进行，通
(Delay and sum beamformer, DSB)、自适应波束形
过比较不同条件下的声压级校准偏差的一致性，证
成算法 (包括最小方差无失真响应 (Minimum vari-
明该校准方法具有较好的精确性和鲁棒性，并且可
ance distortionless response, MVDR) 波束形成算
推广于任意一种阵型的传声器阵列测量装置。
法、线性约束最小方差 (Linearly constrained min-
imum variance, LCMV) 自适应波束形成器、广义
1 传声器阵列声压级在线校准方法
旁瓣相消器(Generalized sidelobe canceler, GSC))、
多通道维纳滤波器、后置滤波算法等。此外 Wang MEMS 传声器由于受工艺误差和环境损耗等
等 [5] 提出一种基于最大期望值的迭代波束形成方 因素的影响，在频域响应上产生失真，其灵敏度不
法在一系列叠加的工业宽带噪声中有效监测出目 断退化。如图 1 所示，当传声器灵敏度发生退化后，
标信号的功率值。为抑制户外风噪对传声器监测的 波束形成的幅值响应会产生失真，从而使测量的噪
影响，Zhao等 [6] 利用便携式刚性球形传声器阵列来 声声压级出现偏差。为了能够实时校准传声器阵

减轻风噪声，而保持目标低频噪声的声压级。另外 列，实验中在阵列中心安装了一个标准参考传声器，
在城市噪声监测中，基于聚类的声源分类算法 [7−8] 通过在线计算参考传声器与阵列间的声压级偏差，
被使用以用于城市街区局域声源监测。 从而补偿传声器阵列的误差。当在多声源干扰情况
微机电系统(Micro-electro-mechanical system, 下，传声器阵列与参考传声器间的声压级差与无干
MEMS) 传声器阵列由于体积小、价格低等优点，在 扰时相同，则证明提出的户外在线校准方法有效。
进行声源定位或者语声增强中得到广泛应用。当使 90° 1.0
120° 60° ⚥᭿ᓖᵚ䘰ॆ
用MEMS阵列进行波束形成时，隐含地假设阵列的 0.8 ⚥᭿ᓖ䘰ॆ
每个通道都具有标准的频响特性，但由于传声器、相 0.6
150° 30°
关放大器和采样组件的制造公差以及长期使用所 0.4
0.2
带来的老化问题，传声器通道之间存在较大幅值和
相位误差，导致MEMS传声器阵列并不能形成理想 180° 0°
的波束形状 [9−11] ，在进行噪声测量时得不到准确的
声压级值。因为器件老化是不断缓慢进行的，在每
210° 330°
次进行测量之前，均需要对传声器进行灵敏度校准。
对于需要长期在户外工作的传声器阵列而言， 240° 300°
在全消室中通过比对标准传声器与每个待校准传 270°
声器的频域响应 [12] ，从而确定出真实的灵敏度的 图 1 延迟求和波束形成仿真图
方法不仅费时费力而且不切实际。由于在进行户外 Fig. 1 Delay and sum beamforming simulation