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声学所提出新型声学超材料单通道麦克风可实现

作者:EBET时间:2020-06-11 10:48

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  在人工系统中,科研人员通常借助由多个传声器组成的传声器阵列来解决声源定位和分离问题。具有高精度声源定位和分离能力的传声器阵列往往需要较大的阵元数量和物理尺寸,这种阵列系统不仅不便于安装和操控,处理多通道信号的计算成本往往也很大,从而导致其应用受限。

  受生物听音机制的启发,中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室博士生孙雪聪与其导师、研究员杨军、贾晗提出了一种基于声学超材料的单通道多声源的定位与分离系统,用一个带有超材料外壳的单通道麦克风实现了三维空间中多个同时发声声源的实时定位与分离。

  研究人员将麦克风嵌入到精心设计的三维超材料结构中(图1a),该结构以与来波方向相关的方式修改麦克风的频率响应(图1b),从而对来自三维空间中不同方向的信号进行编码。研究人员还提出了一种联合重建算法VSPCA-OMP,该算法具有较低的复杂度,可以基于采集到的单通道数据实现多声源的实时定位和分离。整个系统的工作流程示意图如图1c所示。

  为了证明该系统的定位与分离能力,研究人员针对多个场景开展了听音测试,结果表明,当空间中同时发声的声源数量不超过3个时,该系统的定位与分离的平均准确率维持在90%以上(图2)。由于所提出的算法复杂度较低,每次重建过程耗时均控制在1s以内,良好的实时性使该系统也可用于识别和追踪声目标。

  该研究得到国家自然科学基金(No.11874387)、中科院青年创新促进会(No.2017029)、声学所青年英才计划项目(QNYC201719)的资助。

  图1基于声学超材料的单通道多声源的定位与分离系统:(a)超材料外壳模型(b)超材料外壳某4个方向的频率响应仿真结果(c)定位与分离系统的工作流程图(图/中科院声学所)

  在人工系统中,科研人员通常借助由多个传声器组成的传声器阵列来解决声源定位和分离问题。具有高精度声源定位和分离能力的传声器阵列往往需要较大的阵元数量和物理尺寸,这种阵列系统不仅不便于安装和操控,处理多通道信号的计算成本往往也很大,从而导致其应用受限。

  受生物听音机制的启发,中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室博士生孙雪聪与其导师、研究员杨军、贾晗提出了一种基于声学超材料的单通道多声源的定位与分离系统,用一个带有超材料外壳的单通道麦克风实现了三维空间中多个同时发声声源的实时定位与分离。

  相关研究成果近期发表于国际学术期刊Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201902271),并被选为当期封面文章(Inside back cover)。

  研究人员将麦克风嵌入到精心设计的三维超材料结构中(图1a),该结构以与来波方向相关的方式修改麦克风的频率响应(图1b),从而对来自三维空间中不同方向的信号进行编码。研究人员还提出了一种联合重建算法VSPCA-OMP,该算法具有较低的复杂度,可以基于采集到的单通道数据实现多声源的实时定位和分离。整个系统的工作流程示意图如图1c所示。

  为了证明该系统的定位与分离能力,研究人员针对多个场景开展了听音测试,结果表明,当空间中同时发声的声源数量不超过3个时,该系统的定位与分离的平均准确率维持在90%以上(图2)。由于所提出的算法复杂度较低,每次重建过程耗时均控制在1s以内,良好的实时性使该系统也可用于识别和追踪声目标。

  未来该系统有望应用于智能场景监测、机器听觉及语音识别的前端处理等领域。

  该研究得到国家自然科学基金(No.11874387)、中科院青年创新促进会(No.2017029)、声学所青年英才计划项目(QNYC201719)的资助。

  图1 基于声学超材料的单通道多声源的定位与分离系统:(a)超材料外壳模型(b)超材料外壳某4个方向的频率响应仿真结果(c)定位与分离系统的工作流程图(图/中科院声学所)

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