[发明专利]一种基于时域等效源法的实时声场分离方法

权利要求书

1.一种基于时域等效源法的实时声场分离方法，其特征是：在目标源和干扰源之间布置一个测量面，所述目标源是指目标声源，所述干扰源是指干扰声源，同步采集测量面上各测点处的时域声压和时域质点振速；在测量面两侧布置若干等效源，用于分别模拟目标源声场和干扰源声场；采用线性插值函数对各等效源的时域源强积分进行插值处理，建立任意时刻各测点的声压和质点振速与各等效源源强之间的传递关系；从初始时刻开始依次获得对应时刻测量面两侧各等效源的时域源强积分；根据获得的测量面两侧的各时刻等效源的时域源强积分以及等效源与任意测点之间的传递关系，计算获得目标源声场和干扰源声场，实现实时声场分离；所述测量面为任意形状，能够在混响环境中分离出任意形状目标源的辐射声场；

所述基于时域等效源法的实时声场分离方法按如下步骤进行：

步骤a、在目标源和干扰源之间布置一个测量面；在所述测量面上分布M个测点；并有M个传声器一一对应设置在各测点上进行同步测量，获得测量面上各测点处的时域声压和时域质点振速；

步骤b、位于目标源和测量面之间，以及位于干扰源和测量面之间各布置一个虚源面，两个虚源面到测量面的距离相等，在两个虚源面上各分布N个等效源，N不大于M；各等效源的分布与各测点的分布共形；所述等效源为标准点源、面源或体源；测量面上的声场为分布在测量面两侧的N个等效源所产生声场的叠加，测量面上第m个测点处的时域声压p(r_m，t)和时域质点振速v(r_m，t)由式(1)和式(2)所表征：

在式(1)和式(2)中：

符号“*”表示两个函数之间的卷积；t表示采样时间；

n表示N个等效源中任意一个等效源；m表示M个测点中任意一个测点；

I表示干扰源侧声场，O表示目标源侧声场；

p表示声压，v表示质点振速；r_m表示第m个测点的位置；

r_In表示第n个干扰源侧等效源位置，r_On表示第n个目标源侧等效源位置；

q_In(t)为第n个干扰源侧等效源的时域源强；

q_On(t)为第n个目标源侧等效源的时域源强；

g_p(r_m，r_In，t)是第m个测点与第n个干扰源侧等效源之间的时域声压格林函数；

g_p(r_m，r_On，t)是第m个测点与第n个目标源侧等效源之间的时域声压格林函数；

g_v(r_m，r_In，t)是第m个测点与第n个干扰源侧等效源之间的时域质点振速格林函数；

g_v(r_m，r_On，t)是第m个测点与第n个目标源侧等效源之间的时域质点振速格林函数；

基于时域声压格林函数g_p(r_m，r_n，t)和时域质点振速格林函数g_v(r_m，r_n，t)分别由式(3)和式(4)所示表征，根据按式(3)和式(4)的形式分别获得格林函数g_p(r_m，r_In，t)、g_p(r_m，r_On，t)、g_v(r_m，r_In，t)和g_v(r_m，r_On，t)；

在式(3)和式(4)中：

c是声速；R_mn是第m个测点和第n个等效源之间的距离；x表示测量面的单位法向向量；

ρ是介质密度；δ(t-R_mn/c)表示狄拉克函数；H(t-R_mn/c)表示赫维赛德函数；

通过对时间进行卷积计算，将式(1)变换为式(5)，将式(2)变换为式(6)：

式(5)和式(6)中：

R_Imn为第m个测点和第n个干扰源侧等效源之间的距离；

R_Omn为第m个测点和第n个目标源侧等效源之间的距离；

τ_Imn和τ_Omn均为延迟时刻，并有：τ_Imn＝t-R_Imn/c，τ_Omn＝t-R_Omn/c；

为第n个干扰源侧等效源在τ_Imn时刻的对时间t的时域源强积分；

为第n个干扰源侧等效源在τ_Imn时刻的时域源强；

为第n个目标源侧等效源在τ_Omn时刻的对时间t的时域源强积分；

为第n个目标源侧等效源在τ_Omn时刻的时域源强；

步骤c、采用线性插值函数对各等效源的时域源强积分进行插值处理，第m个测点处在t^j时刻的声压p(r_m，t^j)和质点振速v(r_m，t^j)分别表示为式(7)和式(8)：

式(7)和式(8)中：

τ表示延迟时间；

j表示采样时间离散点数，J为总采样步阶数，j＝1，2，...，J；

k表示延迟时间离散点数，K为总延迟步阶数，k＝1，2，...，K，且：J＝K；

t^j为第j个离散采样步阶，t^j＝t¹+(j-1)Δt，Δt为采样时间间隔，t¹为初始采样步阶；

τ^k为第k个离散延迟步阶，τ^k＝τ¹+(k-1)Δτ，τ¹＝t¹-R_min/c；

Δτ为延迟时间间隔，Δτ＝Δt，R_min为所有等效源和测点之间的最小距离；

为第n个干扰源侧等效源发出声波的时刻，且所述声波在t^j时刻被第m个测点所接收；

为第n个目标源侧等效源发出声波的时刻，且所述声波在t^j时刻被第m个测点所接收；

是第n个干扰源侧等效源在τ^k时刻的对时间t的时域源强积分；

是第n个目标源侧等效源在τ^k时刻的对时间t的时域源强积分；

是以为参量的线性插值函数；是以为参量的线性插值函数；

基于以延迟时间τ为参量的线性插值函数由式(9)所表征：

根据式(9)所示线性插值函数的表达式分别获得线性插值函数和

则所有M个测点在t^j时刻的声压P^j和质点振速V^j分别由式(10)和式(11)所表征：

式(10)和式(11)中：

P^j是由m＝1，2，...，M的p(r_m，t^j)组成的列向量；V^j是由m＝1，2，...，M的v(r_m，t^j)组成的列向量；是由n＝1，2，...，N的组成的列向量；是由n＝1，2，...，N的组成的列向量；和均为M×N的传递矩阵，各传递矩阵的元素分别为：

对于指定的m和n，R_Imn和R_Omn在任意时刻均为常数，则各线性插值函数和均具有式(16)所示的线性插值函数的相同形式：

因此，各传递矩阵和均具有由式(17)所表达的传递矩阵G^jk的相同形式：

G^jk＝G^(j-1)(k-1)＝G^(j-2)(k-2)＝...＝G^(j-k+1)(1) (17)

为使G^(j-k+1)(1)中元素不为0，要求满足式(18)：

式(18)中：

τ²为第二个延迟步阶；

为第n个等效源发出声波的时刻，且所述声波在t^j-k+1时刻被第m个测点所接收；

由式(18)推导得式(19)：

式(19)中：R_max是所有等效源与测点之间的最大距离；

令

则将式(10)变换为式(20)、将式(11)变换为式(21)：

式(20)和式(21)中：

步骤d、从初始延迟步阶开始依次获得各延迟步阶测量面两侧各等效源的时域源强积分：

首先，联立式(20)和式(21)，获得式(22)：

式(22)中：

和分别表示j＝1、k＝1时的传递矩阵和

和分别是由n＝1，2，...，N的和所组成的列向量；

是第n个干扰源侧等效源在τ^j时刻的对时间t的时域源强积分；

是第n个目标源侧等效源在τ^j时刻的对时间t的时域源强积分；

τ^j为第j个离散延迟步阶；

由式(22)依次获得各延迟步阶的测量面两侧各等效源的时域源强积分，如式(23)所示：

式(23)中，上标“+”表示矩阵的伪逆；

由于求等效源时域源强积分的过程属于逆问题，故采用加权最小二乘法稳定求解过程，加权最小二乘解的形式如式(24)：

式(24)中，W为权重对角矩阵；

步骤e、根据获得的测量面两侧的各时刻等效源的时域源强积分以及等效源与任意测点之间的传递关系，计算获得目标源声场，实现实时声场分离如式(25)和式(26)所示：

式(25)和式(26)中：

是由m＝1，2，...，M的p_O(r_m，t^j)组成的列向量；

是由m＝1，2，...，M的v_O(r_m，t^j)组成的列向量；

p_O(r_m，t^j)为目标源侧等效源在t^j时刻，在第m个测点处产生的声压；

v_O(r_m，t^j)为目标源侧等效源在t^j时刻，在第m个测点处产生的质点振速。