郭慶，王明杰，徐翠鋒，蘇海濤

汽車內(nèi)麥克風陣列布放位置優(yōu)化方法研究＊

郭慶，王明杰，徐翠鋒，蘇海濤

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

麥克風陣列在語音信號采集中被廣泛應(yīng)用，其布放位置直接影響語音信號的采集質(zhì)量，所以提出了一種汽車內(nèi)麥克風陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法。首先建立汽車模型，設(shè)置模型內(nèi)各部分的材料和屬性，然后在模型內(nèi)放置聲源和麥克風陣列進行仿真。通過仿真，可以得到陣列上麥克風場點在聲源作用下的頻率響應(yīng)，再通過運算得出聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)，最后利用不平坦度和平均幅值差對各麥克風場點的傳遞函數(shù)進行評價，分析汽車內(nèi)麥克風陣列的最佳布放位置。

麥克風陣列；直接邊界元；位置優(yōu)化；空間域信息

隨著汽車電子設(shè)備的發(fā)展，語音日漸成為汽車內(nèi)人機交互的主要方式。對駕駛員語音信號的有效采集是語音信號處理的前提，它直接影響車載語音識別系統(tǒng)工作的準確性[1]。傳統(tǒng)的語音信號處理是利用單個麥克風進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)信號的時域、頻域信息對信號進行處理。隨著信號處理技術(shù)的進步，20世紀70年代陣列信號處理技術(shù)被應(yīng)用到語音信號處理當中。麥克風陣列采集到的信號不僅包含時域和頻域信息，同時還增加了信號的空間域信息[2]。為了保證語音信號采集質(zhì)量，需要對汽車內(nèi)麥克風陣列的位置進行優(yōu)化，所以本文提出了一種汽車內(nèi)麥克風陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法，并利用仿真軟件進行驗證。

為了找到麥克風陣列在汽車內(nèi)的最佳布放位置，本文利用LMS Virtual.Lab軟件進行仿真，在汽車模型內(nèi)放置聲源和不同位置的麥克風陣列，其中麥克風陣列上包含5個等間距的麥克風場點。通過仿真可以得到麥克風場點在聲源作用下的聲壓頻率響應(yīng)，經(jīng)過換算得出聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)，然后利用不平坦度和平均幅值差對場點的傳遞函數(shù)進行評價，從而確定麥克風陣列在汽車內(nèi)最佳的布放位置，為駕駛員語音信號的有效采集提供保障。

1 陣列位置優(yōu)化理論分析

汽車內(nèi)部為一個箱體，駕駛員語音會在汽車內(nèi)部發(fā)生反射和衍射，通過多條路徑最終到達麥克風陣列，聲源到麥克風陣列的聲音傳播路徑如圖1所示，其中麥克風陣列上包含5個麥克風場點。

汽車內(nèi)語音信號的傳播可以近似為線性時不變系統(tǒng)，在線性時不變系統(tǒng)中利用沖激響應(yīng)來反映系統(tǒng)的性能。本文在仿真中利用單極子聲源作為系統(tǒng)的輸入，在聲源作用下麥克風場點的聲壓頻率響應(yīng)作為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)[3]，利用輸入和輸出響應(yīng)得到聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)，其所近似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 語音信號傳播路徑示意圖

圖2 語音傳播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2中（）為時域下單極子聲源信號，（）為時域下麥克風場點的聲壓頻率響應(yīng)，（）為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的輸出可以表達為：

（）=（）×（） （1）

（）=（）（） （2）

式（1）（2）中：（），（），（）分別為（），（），（）的頻域表示，從而可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

（）=（）/（） （3）

在線性時不變系統(tǒng)中可以通過分析系統(tǒng)沖激響應(yīng)來評價系統(tǒng)的性能[4]，所以，本文對聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)進行評價，分析麥克風場點位置的優(yōu)劣，最終得出汽車內(nèi)麥克風陣列的最佳布放位置。

2 汽車內(nèi)麥克風陣列響應(yīng)仿真及評價

2.1 汽車內(nèi)麥克風場點響應(yīng)仿真

利用Virtual.Lab中的聲學仿真模塊Virtual Lab acoustics進行仿真，因為汽車模型內(nèi)部是一個封閉的模型，所以選擇聲學模塊下的直接邊界元法對聲學響應(yīng)進行計算[5]，仿真使用的汽車模型如圖3所示。

圖3 汽車模型圖

本文以駕駛員語音信號處理為例進行仿真，將單極子聲源放置在駕駛員頭部位置模擬駕駛員語音。汽車模型由多個部分組成，對模型內(nèi)各部分進行分組，設(shè)置不同組的材料和吸聲屬性，使汽車模型內(nèi)各部分對聲音的傳遞更切合實際。在汽車模型內(nèi)放置麥克風陣列，麥克風陣列有多種拓撲結(jié)構(gòu)，本文選擇均勻線性麥克風陣列進行仿真，陣列上包含5個間距為20 cm的麥克風場點。考慮到實際駕駛情況，麥克風陣列的布放位置主要有2個：駕駛員前方偏上的擋風玻璃最上端（麥克風陣列A）、駕駛員前方偏下的儀表盤位置（麥克風陣列B）。汽車模型內(nèi)聲源和麥克風場點布放位置如圖4所示。通過仿真可以獲得麥克風場點在聲源作用下的聲壓頻率響應(yīng)，從而可以得到聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)，通過對場點傳遞函數(shù)的評價分析麥克風陣列的最佳布放位置。

圖4 麥克風場點布放位置

2.2 評價方法

麥克風陣列所采語音信號要在不失真的情況下進行處理，這要求聲源到麥克風場點間的傳遞函數(shù)具有平坦的響應(yīng)幅度，選擇不平坦度對麥克風場點的傳遞函數(shù)進行評價。因為人對聲音信號的相位不敏感，所以本文不評價傳遞函數(shù)的相位。這里利用信號的方差反應(yīng)信號的不平坦度，其數(shù)值越小表示場點的傳遞函數(shù)越平坦，則不平坦度為：

式（4）中：為麥克風場點傳遞函數(shù)的不平坦度；為場點傳遞函數(shù)上各頻點的幅值；為場點傳遞函數(shù)上所有頻點幅值的平均值；為場點傳遞函數(shù)的頻點數(shù)。

在聲源作用下，麥克風陣列所采信號的幅值越大說明信號的衰減程度越小，越有利于語音信號的處理，所以本文利用平均幅值差對麥克風場點的傳遞函數(shù)進行評價。平均幅值差可以有效反應(yīng)兩個對應(yīng)麥克風場點的傳遞函數(shù)在單個頻率點上的平均幅值差距，其計算公式為：

式（5）中：max為場點傳遞函數(shù)的最高頻率；△為麥克風場點傳遞函數(shù)的頻率步長，20 Hz；iy為麥克風陣列A上第個麥克風場點在頻率為時的傳遞函數(shù)幅值；iy為麥克風列陣B上第個麥克風場點在頻率為時的傳遞函數(shù)幅值。

3 仿真數(shù)據(jù)分析

通過仿真，可以獲得麥克風場點在聲源作用下的響應(yīng)信號，然后利用式（3）得到聲源到麥克風場點的傳遞函數(shù)。利用不平坦度和平均幅值差對各場點的傳遞函數(shù)進行評價，對比麥克風場點對聲源信號采集的性能，確定汽車內(nèi)麥克風陣列的最佳布放位置。

數(shù)字電話機的國際通信標準是300～3 400 Hz，但是實際人聲頻率最低可達20 Hz[6]，且人講話的頻率主要集中在20～1 200 Hz，所以本文討論的語音頻率范圍有20～3 400 Hz、20～1 200 Hz。本文在對比分析麥克風場點的傳遞函數(shù)時，利用汽車模型中不同陣列相對應(yīng)的場點進行比對（圖4中標號為A1和B1的場點為一組進行對比，標號為A2和B2的場點為一組進行對比，標號為A3和B3的場點為一組，標號為A4和B4的場點為一組，標號為A5和B5的場點為一組進行對比）。

3.1 頻帶為20～3 400 Hz麥克風場點的傳遞函數(shù)分析

當頻帶為20～3 400 Hz時，對應(yīng)麥克風場點的傳遞函數(shù)對比曲線如圖5所示（圖例為麥克風場點標號）。計算麥克風陣列上場點傳遞函數(shù)曲線的不平坦度和平均幅值差，計算結(jié)果如表1所示。

從圖5和表1中可以發(fā)現(xiàn)，麥克風陣列A的5個場點的傳遞函數(shù)曲線平坦度較優(yōu)。麥克風陣列A上標號為A1、A2、A3、A4的麥克風場點傳遞函數(shù)幅值小于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值（平均幅值差為負數(shù)），麥克風陣列A上標號為A5的場點傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值（平均幅值差為正數(shù)），同時兩個麥克風陣列平均幅值差數(shù)值很小，其平均幅值相近。

圖5 20 Hz～3 400 Hz場點的傳遞函數(shù)應(yīng)曲線

表1 20～3 400 Hz場點傳遞函數(shù)的評價參數(shù)值

對比組場點標號不平坦度平均幅值差 第一組A10.045 1﹣0.001 B10.068 3 第二組A20.0312﹣0.039 9 B20.052 1 第三組A30.024 3﹣0.003 4 B30.031 2 第四組A40.020 7﹣0.024 5 B40.053 4 第五組A50.038 30.004 8 B50.070 5

3.2 頻帶為20～1 200 Hz麥克風場點的傳遞函數(shù)分析

人在交流的時候語音頻率主要集中在20～1 200 Hz，各麥克風場點在20～1200 Hz頻段內(nèi)的傳遞函數(shù)曲線如圖6 所示。對應(yīng)20～1 200 Hz頻帶內(nèi)各場點的傳遞函數(shù)曲線的不平坦度和平均幅值差如表2所示。

從圖6和表2中可以發(fā)現(xiàn)麥克風陣列A的場點傳遞函數(shù)曲線的不平坦度數(shù)值較小，說明麥克風陣列A的場點傳遞函數(shù)比麥克風陣列B的場點傳遞函數(shù)更平坦。幅值方面，麥克風陣列A上標號為A1、A3和A5場點的傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值，標號為A2和A4場點的傳遞函數(shù)幅值小于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值。

4 結(jié)論

本文提出了一種汽車內(nèi)麥克風陣列布放位置的仿真優(yōu)化方法，通過對麥克風陣列布放位置的優(yōu)化，實現(xiàn)對聲源信號的有效采集，為后面語音信號的處理提供有力的支撐。以駕駛員語音的采集為例進行仿真，分析麥克風陣列的最佳布放位置，通過對兩種頻帶下麥克風場點傳遞函數(shù)的評價，得出如下結(jié)論：在各頻帶下麥克風場點的傳遞函數(shù)具有類似的規(guī)律，從平坦度的角度看，麥克風陣列A的場點傳遞函數(shù)優(yōu)于麥克風陣列B的場點傳遞函數(shù)。從幅值的角度看，麥克風陣列A上有的場點傳遞函數(shù)幅值大于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值，有的則小于同組的麥克風陣列B上場點的傳遞函數(shù)幅值，且整體上兩個麥克風陣列的平均幅值相近。綜合考慮評價結(jié)果，麥克風陣列應(yīng)該安裝在汽車內(nèi)前擋風玻璃的最上端，即麥克風陣列A的位置，該位置更有利于采集駕駛員語音信號。

圖6 20 Hz～1 200 Hz場點的傳遞函數(shù)曲線

表2 20～1 200 Hz場點傳遞函數(shù)的評價參數(shù)值

對比組場點標號不平坦度平均幅值差 第一組A10.084 80.008 7 B10.154 3 第二組A20.062 9﹣0.041 6 B20.117 3 第三組A30.055 10.000 3 B30.071 7 第四組A40.040 8﹣0.081 B40.118 1 第五組A50.0640.015 6 B50.161 7

［1］李政儀，宮二玲，曹孟華.圓形平面麥克風陣列構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（10）：15-17，24.

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TN641

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.012

2095－6835（2020）08－0033－03

廣西科技基地和人才專項“電動揚聲器異音智能檢測與自動分類系統(tǒng)開發(fā)”（編號：桂科AD19110026）；廣西自然科學基金青年基金“基于聽覺感知改善汽車內(nèi)聲品質(zhì)的主動控制算法研究”（編號：2016GXNSFBA380117）

郭慶（1962—），男，陜西武功人，學士，教授，主要研究方向為嵌入式測控系統(tǒng)、微信號檢測技術(shù)、虛擬儀器。

〔編輯：張思楠〕