采用麦克风阵列的图书馆人为噪声监测研究

1、    采用麦克风阵列的图书馆人为噪声监测研究    关键词：图书馆；人为噪声；麦克风阵列；监测摘要：图书馆的阅览室、自习室是需要保持安静氛围的学习场所，但经常存在的聊天、喧哗等人为噪声严重影响了阅读和自习的效果。由于空间大、开放时间长、读者人数多，噪声监测是图书馆管理的难点。麦克风阵列因其可以利用空间信息提高信号处理的性能，被广泛应用于声源定位、降低噪音及语音增强等领域。文章分析了将麦克风阵列技术引入图书馆阅览室、自习室进行噪声方位监测的可行性，并针对典型噪声类型进行了麦克风阵列参数的优化设计，旨在实现对典型噪声方位的实时可视化监测。：g250：a：1

2、003-1588（2018）10-0131-031背景各类高校图书馆、公共图书馆及社区图书馆的阅览室和自习室是需要保持安静氛围的场所，但在实际开放中，时常存在少数读者聊天、喧哗、打电话等人为噪声，严重干扰了阅读和自习的效果。该类阅读和学习场所空间大、开放时间长、读者人数多，而管理人员又相对较少，因此，噪声监测就成为图书馆管理的一个难点问题。肖红等分析了图书馆噪声对读者的影响，卞庆详等分析并提出采用岗位培训、检查监督、改善设施等控制和消除图书馆人为噪音的措施。刘石等基于arm处理器研究了一种结合单麦克风噪声监测、无线发射报警信号的图书馆噪声无线监测系统，但该监测系统只能根据音量进行监测，无法给出

3、噪声源的具体方位信息，影响了进行提醒和警示的管理效率。麦克风阵列技术可以利用多个呈一定几何阵列关系分布的麦克风获取空间处理增益，从而达到获取声源方位，抑制背景噪声，增强信号的效果，在视频会议、智能家居、机器人等领域已获得广泛的应用。复旦大学孙放等人在广义互相关算法的基础上，设计了一组麦克风三维麦克风阵列利用迭代收缩优化算法精确定位目标源，陈磊等人提出了一种可同时获得目标说话人方位的gsc改进语音增强方法。与上述工作面向的人机语音交互等应用相比，图书馆具有空间大等特点，这给麦克风阵列技术的应用带来了困难。考虑到麦克风阵列技术的特点和图书馆学习、阅览、自习等大空间场所人为噪声监测的要求，笔者将麦克

4、风阵列技术引入图书馆噪声监测，利用麦克风阵列具有的声源定位功能可以对图书馆场所内的噪声进行实时获取，并可采用灯光提示、管理员介入等方式进行提醒，从而达到提高读者阅读和学习效率的目的。2麦克风阵列及其参数设计2.1麦克风阵列技术简介麦克风阵列的阵型有多种样式，不同的阵列拓扑结构系统对工作性能有着重要的影响。目前，常见的麦克风阵列拓扑结构有一维线性阵列、二维面阵和三维立体阵列。其中一维线性阵列的拓扑结构主要有均匀阵列、非均匀阵列和嵌套阵列。线性阵列是麦克风阵列拓扑结构中算法较为简单、设置较为方便的一种，考虑到系统实现的方便性，笔者采用线性阵列进行设计。考虑由n个麦克风组成的线性麦克风阵列，在假设麦

5、克风各向同性的理想条件下，其中第n个麦克风（n=1，2，n）接收到信号可表示为：n（t）=ns（t-n）+n（t）（1）其中n为传播衰减因子，n为声源到第n个麦克风的传播时延，n（t）为加性噪声。则t时刻长度为l的信号向量：xn（t）=xn（t），xn（t-1），xn（t-l+1）t （2）其相应的频谱表示为：xn（f）=l-1k=0xn（t-k）e-2jfkl，f=0，1，l-1，因此，频域n个麦克风的接收信号矩阵表示为：x（f）=x1（f），x2（f），xn（f）t。则，在频率f对对准方向获得的波束形成输出为：y（f，）=wh（f，）x（f）（3）其中h为hermitian转置，wh（f，

6、）为波束形成器对准方向对应的系数矩阵。则波束形成获得的空间-功率谱分布表示为：p（f，）=ey（f，）2=wh（k，）ex（f，）xh（k，f）w（f，）=wh（f，）（f）w（f，）（4）其中（f）为功率谱密度矩阵，e 代表期望。对线性麦克风阵列而言，远场条件下注视方向的波束形成系数为：a（f，）=1，e-j2fdsin（）cl，e-j2fdsin（）（n-1）cl，t（5）其中c为空气中声速，取340m/s，d为阵元间距。对于spr波束形成方法可获得的空间-功率谱分布为：psrp（f，）=ah（f，）（f）a（f，）（6）根据上述公式进行阵列信号处理可以获得噪声对应的空间分布信息，实现空间

7、定位。2.2系统参数设计根据图书馆人为噪声典型参数，笔者进行图书馆噪声监测麦克风阵列参数设计。麦克风阵列间距d是一个重要参数，影响着声源定位和麦克风声音拾取的效果。通常情况下，麦克风阵列间距d的取值和阵列的空间分辨力成正比，d值越大，阵列的空间分辨力越强。但d也不能无限大，它有一个理论范围，d通常等于输入信号的波长的一半。由于在较短的时间（10-30ms）内可近似認为语音具备短时平稳特性，从而可对语音信号进行短时谱分析处理，人为噪声主要能量的频率范围约在300-3400hz之间，则有：d=2=c2f（7）式中是信号波长， f为信号频率，本文取300-3000hz；因此有：c2fmax<_

8、 d<_ c2fmin，可得阵列设计间距为0.25m。3实验3.1实验设置本文采用的实验场地为某高校大厅，大厅具有较大空间，面积为548平方米，房间混响时间t60用赛宾公式近似估算约为2.4s。根据上文进行的优化设计，本文采用的麦克风阵列系统参数为：8元直线麦克风阵列，阵元间距0.25m，并采用基于stm32f407嵌入式系统的8通道采集系统进行信号采集，采集后输入计算机进行分析显示（见图1），信号采样率为16khz，量化位数为24bit。本文采用的srp波束形成器设置的频率范围为500hz-5khz，处理窗长为1，024点。实验以音箱播放语音信号作为模拟人为噪声的测试信号，播放模拟人为

9、噪声的音箱距离麦克风阵列距离为5米。模拟人为噪声的播放音量设置为相当于正常对话音量的70db（a）声压级，采用麦克风阵列进行信号采集、处理及方位显示。图2为实验测试信号及其声谱图，从图2可以看出图书馆典型干扰噪声的语音频谱分布特点，同时设置由500hz-4khz的扫频信号用于测量实验环境的房间传输响应。胡海云：采用麥克风阵列的图书馆人为噪声监测研究3.2实验结果笔者将系统阵列中单麦克风采集获得的扫频信号进行相关分析，可以得到测试房间的房间传输响应（见图3）。从图3可以看出，在20-40ms区域存在几处较为明显的早期混响成分，测试环境属于较为典型的具有混响特性的室内结构。图4所示为模拟人为噪声分

10、别处于45度和135度时，在采样率带宽内麦克风阵列系统获得的能量-方位分布。从图4可以看出，在45度和135度对应噪声方向呈现明显的波束，波束的尖锐程度反映了噪声相对于背景的相对强度信息。实验结果表明，系统具备在较大空间内对噪声源的检测及方位估计能力，从而可实现提醒设置、图像化显示等方位信息输出，提高了图书馆人为噪声管控的效率。在实际场景中可能同时存在多处人为噪声的情况，为了评估系统对同时出现多处干扰噪声时的监测性能，实验采用2个音箱同时播放模拟人为噪声的测试语音。图5给出了对两处同时出现的模拟人为噪声的监测输出，可以看出在两处对应角度均出现了明显的波束。实验结果表明，麦克风阵列噪声监测系统具

11、备对同时出现两处模拟人为噪声进行方位监测的性能。4结语针对图书馆阅览室、自习室等大空间场所存在的人为噪声干扰问题，笔者将麦克风阵列技术引入图书馆人为噪声方位监测，根据典型人为噪声参数特性进行麦克风阵列参数优化设计，并构建了实验系统。实测实验结果表明，该系统可有效对模拟人为噪声进行方位监测并实现可视化的输出和记录。该系统结合设置灯光预警、管理员介入提醒等防治措施，可以在空间大、开放时间长、读者多、管理员少的情况下进行图书馆人为噪声的自动监测和管控，从而提高读者的阅读效率。参考文献：1肖红.高校学生在图书馆中的噪声接收能力与个性因素研究j.情报探索，2015（1）：98-101.2卞庆详.图书馆阅

12、览室的人为噪声及其控制j.图书情报导刊，2007（9）：231-235.3刘石，霍春宝，耿涛.基于arm的图书馆噪声无线监测系统j.电脑知识与技术，2009（2）：460-461.48benesty，j.chen，y.huang.microphone array signal processingj.springer-verlag，2008（6）：4097-4098.5孙放，李四超，来金梅.迭代优化算法的自校准麦克风阵列声源定位系统j.微电子学与计算机，2016（1）：6-9.6陈磊，江伟华，童峰，等.一种可跟踪移动声源方向的麦克风阵列语音增强算法j.厦门大学学报（自然科学版），2015（4）：551-555.7鲍长春.数字语音编码原理m.西安：西安电子科技大学出版社，2007：94-98.910张雪英.数字语音处理及matlab仿真m.北京：电子工业出版社，2010：102-107.1112张武威