在人工系統(tǒng)中，科研人員通常借助由多個(gè)傳聲器組成的傳聲器陣列來解決聲源定位和分離問題。具有高精度聲源定位和分離能力的傳聲器陣列往往需要較大的陣元數(shù)量和物理尺寸，這種陣列系統(tǒng)不僅不便于安裝和操控，處理多通道信號的計(jì)算成本往往也很大，從而導(dǎo)致其應(yīng)用受限。

　　受生物聽音機(jī)制的啟發(fā)，中科院噪聲與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生孫雪聰與其導(dǎo)師楊軍研究員、賈晗研究員提出了一種基于聲學(xué)超材料的單通道多聲源的定位與分離系統(tǒng) ，用一個(gè)帶有超材料外殼的單通道麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)了三維空間中多個(gè)同時(shí)發(fā)聲聲源的實(shí)時(shí)定位與分離。

　　相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Advanced Science，并被選為當(dāng)期封面文章(Inside back cover)。

　　研究人員將麥克風(fēng)嵌入到精心設(shè)計(jì)的三維超材料結(jié)構(gòu)中(圖1a)，該結(jié)構(gòu)以與來波方向相關(guān)的方式修改麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)(圖1b)，從而對來自三維空間中不同方向的信號進(jìn)行編碼。研究人員還提出了一種聯(lián)合重建算法VSPCA-OMP，該算法具有較低的復(fù)雜度，可以基于采集到的單通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多聲源的實(shí)時(shí)定位和分離。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程示意圖如圖 1c所示。

▲ 圖1 基于聲學(xué)超材料的單通道多聲源的定位與分離系統(tǒng):（a）超材料外殼模型 （b）超材料外殼某4個(gè)方向的頻率響應(yīng)仿真結(jié)果（c）定位與分離系統(tǒng)的工作流程圖（圖/中科院聲學(xué)所）

　　為了證明該系統(tǒng)的定位與分離能力，研究人員針對多個(gè)場景開展了聽音測試，結(jié)果表明，當(dāng)空間中同時(shí)發(fā)聲的聲源數(shù)量不超過3個(gè)時(shí)，該系統(tǒng)的定位與分離的平均準(zhǔn)確率維持在90%以上(圖2)。由于所提出的算法復(fù)雜度較低，每次重建過程耗時(shí)均控制在1s以內(nèi)，良好的實(shí)時(shí)性使該系統(tǒng)也可用于識別和追蹤聲目標(biāo)。

▲ 圖2 多場景聽音測試結(jié)果（圖/中科院聲學(xué)所）

　　未來有望將該系統(tǒng)應(yīng)用于智能場景監(jiān)測、機(jī)器聽覺及語音識別的前端處理等領(lǐng)域。

　　本研究得到國家自然科學(xué)基金(No.11874387)，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(No.2017029)，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所青年英才計(jì)劃項(xiàng)目(QNYC201719)的資助。

　　參考文獻(xiàn)：

　　SUN Xuecong, JIA Han, ZHANG Zhe, YANG Yuzhen, SUN Zhaoyong, YANG Jun. Sound Localization and Separation in 3D Space Using a Single Microphone with a Metamaterial Enclosure. Advanced Science n/a, 1902271. DOI: 10.1002/advs.201902271.

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/advs.201902271