新型聲學(xué)超材料單通道麥克風(fēng)可實(shí)現多聲源實(shí)時(shí)定位與分離

　　在人工系統中，科研人員通常借助由多個(gè)傳聲器組成的傳聲器陣列來(lái)解決聲源定位和分離問(wèn)題。具有高精度聲源定位和分離能力的傳聲器陣列往往需要較大的陣元數量和物理尺寸，這種陣列系統不僅不便于安裝和操控，處理多通道信號的計算成本往往也很大，從而導致其應用受限。

　　受生物聽(tīng)音機制的啟發(fā)，中科院噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗室的博士生孫雪聰與其導師楊軍研究員、賈晗研究員提出了一種基于聲學(xué)超材料的單通道多聲源的定位與分離系統 ，用一個(gè)帶有超材料外殼的單通道麥克風(fēng)實(shí)現了三維空間中多個(gè)同時(shí)發(fā)聲聲源的實(shí)時(shí)定位與分離。

　　相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Advanced Science，并被選為當期封面文章(Inside back cover)。

　　研究人員將麥克風(fēng)嵌入到精心設計的三維超材料結構中(圖1a)，該結構以與來(lái)波方向相關(guān)的方式修改麥克風(fēng)的頻率響應(圖1b)，從而對來(lái)自三維空間中不同方向的信號進(jìn)行編碼。研究人員還提出了一種聯(lián)合重建算法VSPCA-OMP，該算法具有較低的復雜度，可以基于采集到的單通道數據實(shí)現多聲源的實(shí)時(shí)定位和分離。整個(gè)系統的工作流程示意圖如圖 1c所示。

▲ 圖1 基于聲學(xué)超材料的單通道多聲源的定位與分離系統:（a）超材料外殼模型 （b）超材料外殼某4個(gè)方向的頻率響應仿真結果（c）定位與分離系統的工作流程圖（圖/中科院聲學(xué)所）

　　為了證明該系統的定位與分離能力，研究人員針對多個(gè)場(chǎng)景開(kāi)展了聽(tīng)音測試，結果表明，當空間中同時(shí)發(fā)聲的聲源數量不超過(guò)3個(gè)時(shí)，該系統的定位與分離的平均準確率維持在90%以上(圖2)。由于所提出的算法復雜度較低，每次重建過(guò)程耗時(shí)均控制在1s以?xún)?，良好的?shí)時(shí)性使該系統也可用于識別和追蹤聲目標。

▲ 圖2 多場(chǎng)景聽(tīng)音測試結果（圖/中科院聲學(xué)所）

　　未來(lái)有望將該系統應用于智能場(chǎng)景監測、機器聽(tīng)覺(jué)及語(yǔ)音識別的前端處理等領(lǐng)域。

　　本研究得到國家自然科學(xué)基金(No.11874387)，中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )(No.2017029)，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所青年英才計劃項目(QNYC201719)的資助。

　　參考文獻：

　　SUN Xuecong, JIA Han, ZHANG Zhe, YANG Yuzhen, SUN Zhaoyong, YANG Jun. Sound Localization and Separation in 3D Space Using a Single Microphone with a Metamaterial Enclosure. Advanced Science n/a, 1902271. DOI: 10.1002/advs.201902271.

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/advs.201902271