声学阵列近场特性研究

This project mainly focuses on the near field characteristics of acoustic arrays, including the microphone array and the loudspeaker array. The primary targets of this project are as follows. (1) Analyze the influence of the sound field variation and array element mismatch on the near field locating and capturing capibilities of the microphone array, and much attention will be paid to the optimizing strategy for improving the radial discrimination performance. (2) Analyze the influnence of the sound field variation and the near field scattering objects on the near field radiation performance of the loudspeaker array. (3) Establish reasonable transfer function models according to some efficient prior information analyzing methods, such as coherent virtual source method. The models will be used to improve the near field performance of both the microphone array and the loudspeaker array by alleviating the influence of the transfer function uncertainties. Based on the theoretical investigations, reasonable prototype experiment systems will be established to verify the effectiveness of the new robust optimizing strategy on improving the near field performance. A series of difficulties of acoustic arrays when working in the near field are expected to be resolved, which will effectively promote the implementation of the acoustic array in the fields of communication, education, military and medical service, etc.

本项目拟针对声学阵列（包括传声器阵列和扬声器阵列）的近场特性展开研究，主要内容包括：分析声场扰动以及阵元不一致对传声器阵列近场定位采集性能的影响，重点关注提升传声器阵列径向区分度的优化策略；分析声场扰动以及近场散射体对扬声器阵列近场辐射特性的影响，探索提升扬声器阵列在近场定位回放的优化方法；针对扬声器阵列和传声器阵列近场聚焦所面临的传递函数不确定性问题，通过相干虚源法等建模方法快速分析空间声场的先验信息，探索合理的传递函数模型，用于提升扬声器阵列和传声器阵列的近场聚焦性能。在理论分析探索的基础上，还将建立合理的实验模型验证新的鲁棒性优化策略对传声器阵列和扬声器阵列近场特性改善的有效性。该项目重点解决声学阵列在近场工作所面临的一系列难点问题，研究内容将有效地促进阵列技术在通信、教育、军事和医疗等领域的应用。

本项目针对声学阵列（包括传声器阵列和扬声器阵列）的近场特性分析和优化所面临的一系列重要问题展开研究，重点关注提升传声器阵列径向区分度的优化策略；分析声场扰动以及近场散射体对声学阵列近场辐射特性的影响，探索提升扬声器阵列在近场定位回放的优化方法；针对声学阵列面临的传递函数不确定性问题，探索合理的算法模型，提升传声器阵列的空间定位能力。在理论分析探索的基础上，还建立了合理的实验模型验证新的鲁棒性优化策略对声学阵列近场特性改善的有效性。.项目的主要研究成果包括：.（1）.针对常用波束算法不能有效抑制与声源同方向的噪声，在近场固定式波束设计时，对几种典型波束优化策略进行改进，增加线性约束条件，提升径向衰减性能，使得阵列兼具方向和距离辨识度。传声器数目较多时，算法鲁棒性较低。为了提升波束算法的鲁棒性，使用基于误差分布函数加权的方法，在优化过程中增加鲁棒性参数以提升系统的性能。.（2）.研究了近场散射效应对波束性能的影响。常用的鲁棒性波束算法一般只考虑传声器单元和声场的随机误差模型，而近场散射影响则带有明显规律。本项目在散射声场条件下，分析了多种算法实现阵列的近场声聚焦性能并进行对比。在此基础上，引入单体和多体散射模型分析了近场散射效应对阵列声聚焦性能的影响。.（3）.在散射声场条件下，利用焦散原理，探索利用扬声器阵列改变边界相位分布特性，实现了有效的声场调控，使得声波可以沿任意凸轨迹传播，绕过近场散射体。通过刚性球散射体的绕射实验，充分验证了这一方法的有效性。.（4）.提出了一种球谐域最大似然声源定位算法。大部分球谐域定位算法，使用空心球阵列时，在球贝塞尔函数零点对应的频率处鲁棒性较差。本项目提出的算法回避了球贝塞尔函数的除法，适用于空心球阵列。相比于基于波束的定位算法，具有更高的空间分辨率；相比于基于子空间的定位算法，适用于低信噪比场景。.（5）.在理论分析探索的基础上，建立了多套合理的实验模型验证新的鲁棒性优化策略对传声器阵列和扬声器阵列近场特性改善的有效性。