空间声场脉冲响应辨识及应用

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.03.019 第19卷第3期 北京科技大学学报 Vol.19 No.3 1997年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1997 空间声场脉冲响应辨识及应用 钟延炯刘东方王浩 北京科技大学自动控制研究所，北京100083 摘要介绍了采用伪随机信号相关辨识法获得空间声场脉冲响应的实验方法，并用多种实验对该 方法作了验证还将此方法应用于空间有源噪声控制，取得了满意的结果. 关键词伪随机，脉冲响应，相关辨识 中图分类号TB533.2 介绍一种利用伪随机信号相关辨识获得声场脉冲响应的方法“，).它利用伪随机信号与背 景噪声相关度极小及其自相关函数为近似函数的特性)，通过发送和接收信号的互相关运算 排除背景噪声的干扰，得到真实的脉冲响应. 1声场脉冲响应辨识实验 1.1声场脉冲响应的辨识 图1是辨识脉冲响应的硬件结构图，其核心是1台插有AWD,D/A板的微机，通过音箱S 发伪随机信号，声信号传播到麦克风 mic后被转换成电信号送人微机，辨 识运算由微机完成.时钟周期取 mic △仁0.2ms,采用10级移位寄存器产 功放 放大器 生伪随机信号，则N公=(20-1)× 0.2ms×10-3≈0.2s,能满足一般 房间的混响时间要求重复次数q取5 计算机 就可得到很好的效果.在声源S到mic 之间距离比较近时，脉冲响应受幅值 图1辨识实验框图 α影响不大，一般选择幅值较小的伪随机信号. 为了使声学环境尽量简单，把实验地点选在了楼顶，四周无任何障碍物，从音箱传播到麦 克风的声音基本都是直达声.在音箱距麦克风34cm和68cm2种情况下进行了伪随机信号 相关法辨识脉冲响应的实验，所得结果如图2所示. 图中开始的一段零响应代表了声音由音箱S到麦克风的延迟.常温下声速为34s,所 以2种情况的延迟分别为1ms和2s.整个脉冲响应则是对此系统（包括声场、扬声器和电 子电路部分)动态特性的一种全面描述. 1996-03-15收稿第一作者男58岁教授

第 1 9卷 第 3期 1 979 年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s ity o f Sc i e n c e a n d T e e b n o l o g y Be ji i n g V o l . 1 9 N o . 3 J u n e 1 9 9 7 空 间声场脉冲 响应辨识及应用 钟 延炯 刘 东方 王 浩 北京科技大学 自动控 制研究所 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 介绍 了 采用 伪 随机信 号相关辨识法获得空 间声场脉冲响应 的实验方法 , 并用 多种实验对该 方法 作了验证 . 还将此方法应用于空 间有源噪声控制 , 取得 了满意 的结果 . 关健词 伪 随机 , 脉冲响应 , 相 关辨识 中图分类号 珊 5 3 . 2 介 绍 一种利 用 伪随 机信 号相 关辨 识获得 声场脉冲 响应 的方法 .lz[ ] . 它利 用伪随机信号 与背 景 噪声 相 关度极 小及 其 自相 关 函 数为近似函数的特 性 3[] , 通过 发送 和接 收信号 的互 相 关运算 排 除背 景 噪声 的干 扰 , 得 到 真实 的脉冲 响应 . 1 声场脉冲响应辨识实 验 1 . 1 声场 脉冲响应 的辨识 图 1 是 辨 识脉 冲 响应 的 硬件 结构 图 , 其 核心 是 1 台插 有 刀 D , D/ A 板 的微 机 , 通 过音箱 S 发伪 随机信号 , 声 信号 传播 到 麦克 风 而c 后 被 转换 成 电信号 送 人 微 机 , 辨 识 运 算 由 微 机 完 成 . 时 钟 周 期 取 △卜.0 2 m s , 采 用 10 级 移 位 寄 存器 产 生 伪 随 机 信 号 , 则 肥拼(2 10 一 l) x 0 · Z m s x 10 一 ’ 二 0 . 2 5 , 能 满 足 一 般 房 间 的混响 时间要 求 . 重 复次 数 q 取 5 就 可 得到 很好 的效 果 . 在 声源 S 到 而 c 之 间距离 比较 近 时 , 脉冲 响应 受 幅值 功放 放大器 【 1刃 A 图l 辨识实验框图 a 影 响 不大 , 一 般选 择 幅值较 小 的伪随机信号 . 为 了使声学 环境 尽量 简单 , 把 实验 地点 选在 了楼顶 , 四 周无 任何障碍物 , 从 音箱传播到 麦 克风 的声 音 基本都 是 直 达 声 . 在 音箱 距麦克风 34 c m 和 68 c m 2 种情 况下 进 行 了伪随 机信 号 相 关法 辨识脉冲 响应 的 实验 , 所得 结果 如 图 2 所示 . 图中 开始 的 一段 零响应 代 表 了声 音 由音 箱 S 到 麦 克风 的延 迟 . 常 温 下声 速 为 34 而 s , 所 以 2 种 情 况 的延 迟分 别 为 1 m s 和 2 m s . 整个脉 冲 响应 则是 对此 系 统 ( 包括 声场 、 扬声 器和 电 子 电路 部分 )动态 特性 的一 种全 面描 述 . 19 9 6 一 0 3 一 巧 收稿 第 一作者 男 58 岁 教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 03. 019

Vol.18 No.3 钟延炯等：空间声场脉冲响应辨识及应用 ·309· (a) (b) 0 10 t/ms t/ms 图2脉冲响应 a h=34cm b h=68cm 在前面距离34cm实验中其他条件都不变的情况下，在麦克风下方120cm处增加了1个 反射面（挡板），此麦克风收到的声信号中除了直达声外，还有一部分是由声源一反射面一麦 克风传过来的.这一过程约240cm,传播时间7.1ms.图3(a)是此情况下辨识的脉冲响应，可 看出在约7m处又出现了1个较明显的尖峰跳变 在此基础上，再在声源和麦克风正前方1.7处放置1个反射面，声波由声源到此反射面 再到麦克风的距离是3.4m,时间需10s.图3(b)是此情况下辨识的脉冲响应，可以清楚地看 出它比图3()又多了一个10ms处的尖峰跳变.可以看出伪随机信号辨识所得的脉冲响应确 定是对声场的真实反映 (b) 10 t/ms t/ms 图3有反射面时的脉冲响应 a1个反射面 b2个反射面 1.2声场脉冲响应的准确性 回到室内，重做声源距麦克风34cm的脉冲响应辨识实验.由于室内反射体很多，脉冲响 应曲线变得非常复杂.为了检验此脉冲响应对真实声场的近似程度，做了验证实验：由微机通 过D/A发出事先存入的噪声，记为n,(),此噪声由音箱发出，mic转换，A/D采人后存入微机， 记为().可知是经过真实系统后的输出，同时用测得的脉冲响应和原始噪声进行卷积，算出 一个系统输出，()，即m,(0=n,(④·g(④.通过n,(0和n()的对比检验脉冲响应的准确性， 图4是对比结果. 图4(a)中，曲线1是原始噪声n,(),曲线2是系统实际输出n2(④，曲线3卷积结果m,(), n(④和n,(0逐点相减得曲线4，记为△n,().在图中几乎看不出和n(0有什么差别，误差曲线 幅值很小计算相对误差：e=一17.8dB,即误差△n()的均方根只有n()均方根的，可见脉 冲响应g(0对系统描述的准确性是比较高的为了对比，在图4(b)中把曲线3换成了只经纯延

V o l . 1 8 N o . 3 钟延炯等 : 空 间声场脉冲响应辨识及应用 { 二 {{} 取彗闰使P 枷昏山交P 图 2 h = 34 e m 脉冲响应 b h = 日k m 在前 面距 离 34 c m 实验 中其他 条件 都不 变 的情况 下 , 在 麦克 风下方 120 c m 处增加 了 1个 反 射 面 ( 挡板 ) , 此麦 克 风收 到 的声信 号 中除 了直 达 声外 , 还有 一 部分 是 由声 源一反 射 面一麦 克 风 传过来 的 . 这 一过 程 约 24 0 c m , 传播 时间 7 . 1 m s . 图 3( a) 是 此情 况下 辨 识 的脉 冲响应 , 可 看 出在 约 7 m 处又 出现 了 l 个较 明显 的尖 峰跳变 . 在此基础 上 , 再 在声 源 和麦 克风正 前方 1 . 7 m 处放置 l 个 反射 面 , 声 波 由声 源到 此反射面 再到 麦克 风 的距离是 3 . 4 m , 时间需 10 m s . 图 3 ( b) 是 此情 况下 辨识 的脉 冲响应 , 可 以 清楚地 看 出它 比图 3 (a) 又 多 了一个 10 m s 处的尖 峰 跳变 . 可 以 看 出伪随机信号辨 识所 得 的脉冲 响应 确 定是 对声场 的真 实反 映 . 枷孚山诀P 赶 ; } ’ l 咖彗山P诀 图3 有反射面时的脉冲响应 a l个反射面 b Z个反射面 1 . 2 声场脉 冲响应 的准 确性 回 到 室 内 , 重做 声 源距 麦克 风 34 c m 的脉 冲 响应 辨识实 验 . 由于 室 内反 射体很多 , 脉 冲 响 应 曲线变 得非 常复杂 . 为 了检验 此脉冲 响应 对真 实声 场 的近似 程度 , 做 了验证 实验 : 由微机 通 过 D/ A 发 出事先 存人 的 噪声 , 记为 。 l ()t , 此 噪声由音箱 发 出 , 而c 转换 , 刀D 采人 后存人微 机 , 记 为 。 2 (t) . 可知是 经 过真实系 统后 的输 出 , 同时 用测得 的脉 冲 响应和 原始 噪声进 行卷 积 , 算 出 一个 系统 输出 、 ()t , 即 、 ()t 二 。 , ()t · g ()t · 通 过 、 ()t 和 。 2 ()t 的 对比检 验脉冲响应 的准确性 , 图 4 是 对 比结果 . 图 4 ( a) 中 , 曲线 1是 原 始噪 声 。 1 ( )t , 曲线 2 是 系统实 际输 出 n Z ( )t, 曲线 3 卷积结 果气 ()t , , 2 ()t 和 ” 2 ()t 逐点 相减 得 曲线 4 , 记 为△。 2 ()t . 在 图中几 乎看不 出和 。 2 ()t 有什 么差别 , 误 差 曲线 幅值很小 . 计算相 对误 差 : 。 二 一 17 . 8 d B , 即误差 △n : ()t 的均方 根只有 刀 : ()t 均方 根的 , 可见脉 冲响应 g( )t 对系统描 述 的准确 性是 比较 高的 . 为了 对比 , 在 图 4( b) 中把 曲线 3 换 成了只经纯 延

·310· 北京科技大学学报 1997年第3期 (a whtrywywhywlwaviy 图4脉冲响应准确性验证 (a)脉冲响应；b)纯延时.1-n1(④，2-n2(0,3(0,4-△nz() 时和比例放大的原始噪声，可看到误差明显增大，计算得e=-5.92dB,即△n()的均方根 是n()的均方根的1/3.只用纯延时描述声音信号的传播是很不准确的，用伪随机信号相关 法辨识所得的脉冲响应来描述这个动态过程则与真实情况很接近. 伪随机信号法辨识脉冲响应的优点是不受背景噪声干扰，验证实验中，背景噪声是频谱 很复杂的电炉炼钢噪声，声级达77dB,而所发伪随机信号声音的声级仅为70dB.在伪随机 信号重复发送次数q=5和40的情况下分别作了辨识实验，其他参数完全一样.g=5时脉冲 响应各部分都有背景噪声干扰的痕迹，与图4中的真实响应相差甚远；而q-40时脉冲响应则 通过40次重复平均基本消除了噪声千扰的影响，获得了满意的效果. 2在有源噪声控制中的应用 图5是三维空间自适应有源降噪(AANC)系统的一个单人单出模型.图5中系统通过传 声器micl和mic2采得噪声信号，由控制器Controller进行处理后把结果通过次级声源Sl发 出，此信号与原噪声信号NS在mc2处进行抵消.目前自适应有源降噪普遍采用的是滤波一 一XLMS算法 用高速信号处理器ADSP-2111实现此降噪系统，分别用2种滤波一XLMS算法进行了 降噪实验：第1种算法中用脉冲响应表示声音的传播；第2种算法中用纯滞后表示声音的传 播，结果如图6所示.图6中曲线1是源 噪声；曲线2是mic2采得的降噪点噪声 噪声源 信号；曲线3是Speaker2.发的抵消信号 micl mic2d 由图可看到当次级声源开始发声 控制器 后，降噪点的误差信号幅值明显减小， 可见此降噪系统的作用是显著的不过2 图5 SISO AANC系统 种算法的效果还是有差别的：图6(a)是用脉冲响应表示声音的传播，降噪结果为1IdB;图 6(b)是用纯滞后表示声音的传播，降噪结果6dB.这与前面的实验结果一致：由于脉冲响应比 纯滞后能更准确地反映信号的传播，所以在降噪实验中就表现为降噪效果的提高由此可见 在自适应有源降噪中，用脉冲响应表示声信号延时传播过程是较理想的，它可在运算量增加 不大的条件下比纯延时表示法获得更满意的降噪效果

. 3 10 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7 年 第3期 i ) 、 V长 v 、 ` 下 义 ’ V V V V “ , 丫丫 · ) } l * 从 }} A 入 几乃 , l} 2 . 八人八八八力 甘) l ’ , V洲 r ` , Y ,叮 VV 丫丫丫俨 } ’ ) ( . 八 }l劫 八 , 。 八人 . 。 人八八八 刁 ’ 1 {兰} ` 异谦 ’ v “ 丫丫V ” } } { 图4 脉冲 响应准确性验证 ( a ) 脉冲响应 ; 伪) 纯延时 . 1一 1 (t) , z 一 n Z ()t , 手会 2 ()t , 4 一彻 2 ()t 时和 比例 放 大 的原 始 噪声 , 可 看到 误 差 明显增 大 , 计 算得 e = 一 .5 9 2 d B , 即 △n : ( )t 的均方 根 是 。 : (l) 的均方 根 的 1 / 3 . 只用 纯延 时描述 声音 信号的传播是 很不 准确 的 , 用伪随机信号相 关 法 辨识 所得 的脉 冲响应来描述 这个 动态过程 则与真实情 况很 接近 . 伪随 机信号法 辨 识脉 冲 响应 的 优点是 不 受背景 噪声 干扰 , 验证实验 中 , 背景 噪声是 频谱 很 复杂 的 电炉炼钢噪声 , 声级 达 7 d B , 而 所 发伪随机信号 声音的声级 仅为 70 d B . 在伪随机 信 号 重 复 发送 次数 q 一 5 和 40 的情 况 下分 别作 了辨 识实验 , 其 他参数完 全 一样 . q = 5 时脉 冲 响应 各部 分都有背 景 噪声 干扰 的痕迹 , 与 图 4 中的真 实响应相 差甚 远 ;而 q 一 40 时脉冲 响应则 通过 40 次重复平 均基 本消 除 了噪声 干扰 的影 响 , 获得 了满 意 的效 果 . 2 在有源噪声控 制中的应用 图 5 是 三 维空 间 自适 应有 源 降噪 (A A NC ) 系统 的一 个单人 单出模 型 . 图 5 中系统通 过传 声 器 m ic l 和 而c2 采得 噪声 信 号 , 由控 制器 C o n otr ller 进行处理后 把结 果通 过次级 声源 lS 发 出 , 此 信 号 与原 噪声 信 号 NS 在 m icZ 处进 行抵消 . 目前 自适应 有 源降噪普遍 采 用的是 滤波 一 一 X L M S 算 法 [4 ] . 用 高速 信号 处理 器 A D S P 一 2 1 1 实现 此 降噪 系统 , 分别 用 2 种滤 波 一 X L M S 算 法进 行 了 降 噪实 验 : 第 1 种算 法 中用脉 冲 响应 表 示 声音 的传播 ;第 2 种 算法 中用纯 滞后 表示 声音 的传 播 , 结果 如 图 6 所示 , 图 6 中曲线 1 是源 噪声 ; 曲线 2 是 而 c2 采 得 的降 噪点噪声 信号 ; 曲线 3 是 S pe ak e rZ 发的抵 消信号 . 由图 可 看 到 当次 级 声 源 开始 发 声 后 , 降噪 点 的误 差 信号 幅 值 明显 减 小 , 可 见此 降 噪系 统的作 用是 显著 的 . 不过 2 一一匕生 _ , 耐 匕龚剑生{一一刊刁 场 图 5 51 5 0 A A N C 系统 种 算 法 的效 果 还 是 有 差 别的 : 图 6( a) 是 用 脉 冲响 应 表 示 声 音 的 传 播 , 降噪 结 果 为 l l d B ; 图 6( b) 是 用纯滞 后 表示 声 音 的传播 , 降噪结 果 6 d B . 这与 前面 的实验 结果 一致 : 由于脉 冲响应 比 纯滞 后 能更 准 确 地反 映 信 号 的传播 , 所 以 在 降噪实 验 中就 表现 为 降噪 效果 的提 高 . 由此可 见 在 自适应 有 源 降噪 中 , 用脉 冲响应 表 示声 信号 延 时传播过 程是 较理 想 的 , 它 可 在运算 量增 加 不大 的条件下 比纯 延时 表示 法获得 更满 意 的降噪效果

Vol.18 No.3 钟延炯等：空间声场脉冲响应辨识及应用 ·311· (a) (b) Lww-4hwr Lthryyhyhnuhy Amyhy.wm AAAmnin WAAMMW twiml 图6AANC实验结果 (a)脉冲响应；b)纯延时；1-原噪声，2-mic2噪声，3传声器噪声 3结论 声场脉冲响应g()在评价厅堂声学动态特性和有源噪声控制等领域，都有着重要意义， 采用伪随机相关辨识方法辨识声场脉冲响应有显著的优点， 实验证明，伪随机相关辨识方法获得的脉冲响应，在一定声强和带宽范围内，对声场动态 特性的描述是准确的，在自适应有源降噪的滤波一XLMS算法中，应用这种非参数数学模型 可以使降噪效果更好 参考文献 1 Schroeder M R.New Method of Measuring Reverberation Time.J Acoust Soc Am,1965,37:409~412 2 Schroeder M R.Integrated-impulse Method Measuring Sound Decay Without Using Impulses.J Acoust Soc Am,1979,66(2):497~500 3李白男.伪随机信号及相关辨识.北京：科学出版社，1987 4钟延炯，乐恺，安军社.空间自适应有源降噪方法.北京科技大学学报，1995,17(5)：455~458 Identification and Application of Space Impulse Response Zhong Yanjiong Liu Dongfang Wang Hao Information Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The method of pseudo-random correlation identification is apppied to iden- tify the space impulse response,and it's proved to be effective and precise.In the experi- ment of active noise control,the good result is achieved by using this method. KEY WORD pseudo-random,impulse response correlation identification

V o l . 1 8 N O . 3 钟延 炯等 : 空 间声场脉冲响应辨识及应用 图6 A A N C实验结果 (a ) 脉 冲响应 ; 伪) 纯延时 ; 1 一 原噪声 , 2 一 m i cZ 噪声 , 于传声器噪声 3 结论 声场 脉冲响应 g ()t 在 评价 厅堂 声学 动态特性 和有源 噪声 控制 等领 域 , 都有着重 要意 义 . 采用 伪随机 相关 辨识 方法 辨识 声场脉 冲响应有显著的优点 . 实验证明 , 伪随机相 关辨 识方法 获得 的脉 冲 响应 , 在 一定 声强 和带 宽 范围 内 , 对声 场动态 特性的 描述 是 准确 的 , 在 自适 应有 源降噪的滤 波 一 X L M S 算 法 中 , 应用 这种 非参数数 学模型 可 以 使降 噪效果 更好 . 参 考 文 献 1 S e hr co de r M R 陇w M e ht do o f M e as un n g 甩v e ber ar it o n T i m e . J cA o us t s co A l l l , 1 9 6 5 , 3 7 : 4 0 9 一 4 1 2 2 S e h ocr de r M R nI et g 几 et -d i m ulP s e M e ht od M e as iur n g S o un d eD e a y Wi ht o u t U s ing Im P ul s e s . J cA o us t S oc A l n , 1 9 7 9 , 66 ( 2 ) : 4 9 7 一 5 00 3 李 白男 . 伪随机信号及相关辨识 . 北京:科学 出版社 , 19 8 7 4 钟延炯 , 乐恺 , 安军社 . 空 间 自适应有源 降噪方法 . 北京科技大学学报 , 19 95 , 1 7 ( 5) : 4 5 一 4 58 Id e n t iif e a ti o n a n d A P P l i e a t i o n o f S P a e e Im P u l s e R e s P o n s e 及 o n g ya 可i o n g 口u D o n gfQ n g 瀚 n g aH o I n fo mr a it o n E n g i n e e ir n g S e h o l , U S T B e ij ; n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C ih n a A B S T R A C T hT e m e ht de o f P s e u d o 一 ar n d o m c o re l a it o n id e n it if c a it o n 1 5 a P P P i e d t o i d e n - it fy ht e m e n t o f s Pac e im P u l s e re s op n s e , an d it’ s Por v e d ot be e fe c it v e an d P er c i s e . I n ht e e x pe ir - aC it v e n o i s e e o n otr l , ht e g o do er s u l t 1 5 K E Y W O R D P s e du o 一 anr d o m , im P u l s e er s po n s e ac ih e v e d by u s i n g t垃 5 m e th do . . e o ll℃ l a it o n i d e n it if e a ti o n