·846 北京科技大学学报 第36卷 较强的反射声波，并与直射声波相互叠加，使得直射 境中的响应进行了仿真与分析，明确了利用阵元之 声波产生畸变，进而影响声场重构的准确性0，因 间不同时延进行计算可以增强扫描方向信号，抑制 此必须对反射声波加以抑制.传统的反射声波抑制 其他方向的反射声波.然而，当反射声波从扫描方 方法大致分为三类：反射环境模型求解、信号倒谱域 向入射时，波束形成并不能对其进行抑制，因此当反 加窗滤波以及基于麦克风阵列的波束形成算法 射声波存在于全空间方向时，波束形成的扫描范围 反射环境模型求解是利用实验或数学手段建立 内也必然存在大量无法抑制的反射声波，造成较严 起实验环境的反射模型，然后通过逆向求解将反射 重的重构误差 信号分离出来，从而达到反射抑制，甚至彻底消除反 除以上三种方法之外，声信号处理领域中还有 射声波的目的.早在1979年，Aen和Berkley回就 基于小波分解回和基于相关计算团的降噪算法， 利用房间冲击响应建立IMAGE模型，模仿房间反射 但都仅限于不同源噪声的抑制，对于同源的反射声 情况.1999年，Huang等间基于人类听觉系统优先 波抑制并不适用. 效应建立了EA反射模型，通过逆运算对信号中的 针对上述研究存在的问题，本文以抑制狭小封 反射成分进行抑制与消除.从1995年开始，Eis和 闭空间内宽频噪声场的反射声波为目的，提出了基 Desharnais开始对浅海这种特殊环境的声反射进 于信号倒谱裁剪的反射声波抑制方法.首先利用环 行数学建模，并通过模型逆解抑制了声纳回被中的 境脉冲响应持续时间对信号倒谱反射成分区域进行 反射成分，提高了声纳探测海底形状的准确性.理 划分，然后根据理论对代表反射成分的异常点进行 论上，如果能获得足够准确的反射环境模型，可以 判定，最后对反射成分点重新赋以正常值，从而在不 将混合信号中的反射成分完全消除，但需要对反 破坏噪声信号直射成分的前提下对反射声波进行抑 射环境有足够的先验知识.因此，在反射环境不确 制.该方法的优势在于：尽量保留了噪声信号的原 定或者参数未知的情况下，反射模型便很难建立 始信息与直射成分，使声场重构计算更加准确：利用 此外，建模与求解过程也较为复杂，不适用于工程 被处理信号本身的正常区域统计参数来分析反射成 应用. 分集中区域，可以在实时监测等工程应用中根据不 信号倒谱域加窗滤波是反射声波抑制的另一个 同的信号动态调整判定界限，只需在监测开始之前 有效方法，其原理是将时域信号的卷积运算转换为 采集一次脉冲响应并对反射成分集中区域范围进行 倒谱域的加减运算，从而对反射成分进行更简单有 设定，之后即可进行自动监测，不需重复采集脉冲响 效的处理，达到抑制反射成分的目的.早在1968 应与设定参数，因此更适用于实际工程应用.通过 年，Oppenheim和Schafer就发现了信号中的回波 在室内弱反射环境和小实验舱内强反射环境中进行 可在倒谱中引起加性分量，并提出了通过滤除倒谱 的对比实验，验证了该方法可有效抑制反射声波，对 域中该加性成分来消除回波的思路.1991年，Bees 于反射声波所带来的声场重构误差，由90%降低至 等圆利用倒谱处理方法抑制单通道语音信号中的 35%,有效提高了声场的重构精度 反射与噪声成分，该方法的优点是实现比较简单，缺 点是存在倒谱相位卷迭问题.2009年，张德会和陈 1反射声波叠加的基本原理 光治回在倒谱域设计了更合适的低时窗函数，可在 声波在封闭空间内碰撞壁面会发生反射，反射 一定程度上解决相位卷迭问题，提高了倒谱域滤除 声音与直射声音叠加，形成新的混合信号，如图1所 反射成分的准确性.但是，由于在进行材料声疲劳 示.其中，路径1为直射声波，其他路径为反射声 试验过程中，往往产生的是宽频随机噪声，信号的倒 波.理论上反射声波存在无数条路径 谱分布范围更广且无规则，难以选择可滤除反射成 分但不会破坏直射成分的滤波上下限.因此倒谱域 加窗滤波的反射抑制方法不适用于宽频噪声场. 20世纪80年代，基于麦克风阵列的声场测量 方法渐渐成熟，其中最常用的波束形成算法也具有 一定的反射声波抑制效果.最早进行研究的是 IMAGE模型的创建者Alen等o,他们于1977年利 接收者 用两个麦克风的响应及不同时延对反射声波进行了 图1封闭空间内的反射声波 抑制.1986年，Peterson对麦克风阵列在反射环 Fig.I Reflected acoustic waves in an enclosed space北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 较强的反射声波，并与直射声波相互叠加，使得直射 声波产生畸变，进而影响声场重构的准确性［1］，因 此必须对反射声波加以抑制． 传统的反射声波抑制 方法大致分为三类: 反射环境模型求解、信号倒谱域 加窗滤波以及基于麦克风阵列的波束形成算法． 反射环境模型求解是利用实验或数学手段建立 起实验环境的反射模型，然后通过逆向求解将反射 信号分离出来，从而达到反射抑制，甚至彻底消除反 射声波的目的． 早在 1979 年，Allen 和 Berkley ［2］就 利用房间冲击响应建立 IMAGE 模型，模仿房间反射 情况． 1999 年，Huang 等［3］基于人类听觉系统优先 效应建立了 EA 反射模型，通过逆运算对信号中的 反射成分进行抑制与消除． 从 1995 年开始，Ellis 和 Desharnais ［4--5］开始对浅海这种特殊环境的声反射进 行数学建模，并通过模型逆解抑制了声纳回波中的 反射成分，提高了声纳探测海底形状的准确性． 理 论上，如果能获得足够准确的反射环境模型，可以 将混合信号中的反射成分完全消除，但需要对反 射环境有足够的先验知识． 因此，在反射环境不确 定或者参数未知的情况下，反射模型便很难建立． 此外，建模与求解过程也较为复杂，不适用于工程 应用． 信号倒谱域加窗滤波是反射声波抑制的另一个 有效方法，其原理是将时域信号的卷积运算转换为 倒谱域的加减运算，从而对反射成分进行更简单有 效的处理，达到抑制反射成分的目的［6］． 早在 1968 年，Oppenheim 和 Schafer ［7］就发现了信号中的回波 可在倒谱中引起加性分量，并提出了通过滤除倒谱 域中该加性成分来消除回波的思路． 1991 年，Bees 等［8］利用倒谱处理方法抑制单通道语音信号中的 反射与噪声成分，该方法的优点是实现比较简单，缺 点是存在倒谱相位卷迭问题． 2009 年，张德会和陈 光冶［9］在倒谱域设计了更合适的低时窗函数，可在 一定程度上解决相位卷迭问题，提高了倒谱域滤除 反射成分的准确性． 但是，由于在进行材料声疲劳 试验过程中，往往产生的是宽频随机噪声，信号的倒 谱分布范围更广且无规则，难以选择可滤除反射成 分但不会破坏直射成分的滤波上下限． 因此倒谱域 加窗滤波的反射抑制方法不适用于宽频噪声场． 20 世纪 80 年代，基于麦克风阵列的声场测量 方法渐渐成熟，其中最常用的波束形成算法也具有 一定的反射声波抑制效果． 最早进行研究的是 IMAGE模型的创建者 Allen 等［10］，他们于 1977 年利 用两个麦克风的响应及不同时延对反射声波进行了 抑制． 1986 年，Peterson ［11］对麦克风阵列在反射环 境中的响应进行了仿真与分析，明确了利用阵元之 间不同时延进行计算可以增强扫描方向信号，抑制 其他方向的反射声波． 然而，当反射声波从扫描方 向入射时，波束形成并不能对其进行抑制，因此当反 射声波存在于全空间方向时，波束形成的扫描范围 内也必然存在大量无法抑制的反射声波，造成较严 重的重构误差． 除以上三种方法之外，声信号处理领域中还有 基于小波分解［12］和基于相关计算［13］的降噪算法， 但都仅限于不同源噪声的抑制，对于同源的反射声 波抑制并不适用． 针对上述研究存在的问题，本文以抑制狭小封 闭空间内宽频噪声场的反射声波为目的，提出了基 于信号倒谱裁剪的反射声波抑制方法． 首先利用环 境脉冲响应持续时间对信号倒谱反射成分区域进行 划分，然后根据理论对代表反射成分的异常点进行 判定，最后对反射成分点重新赋以正常值，从而在不 破坏噪声信号直射成分的前提下对反射声波进行抑 制． 该方法的优势在于: 尽量保留了噪声信号的原 始信息与直射成分，使声场重构计算更加准确; 利用 被处理信号本身的正常区域统计参数来分析反射成 分集中区域，可以在实时监测等工程应用中根据不 同的信号动态调整判定界限，只需在监测开始之前 采集一次脉冲响应并对反射成分集中区域范围进行 设定，之后即可进行自动监测，不需重复采集脉冲响 应与设定参数，因此更适用于实际工程应用． 通过 在室内弱反射环境和小实验舱内强反射环境中进行 的对比实验，验证了该方法可有效抑制反射声波，对 于反射声波所带来的声场重构误差，由 90% 降低至 35% ，有效提高了声场的重构精度． 图 1 封闭空间内的反射声波 Fig． 1 Ｒeflected acoustic waves in an enclosed space 1 反射声波叠加的基本原理 声波在封闭空间内碰撞壁面会发生反射，反射 声音与直射声音叠加，形成新的混合信号，如图 1 所 示． 其中，路径 1 为直射声波，其他路径为反射声 波． 理论上反射声波存在无数条路径． ·846·