有界空间的声信号畸变与恢复研究
摘要
声多途现象在有界空间声传播中是不可避免的,声音在传播过程中由于边界的存
在会发生反射、散射和衍射等现象,导致声信号产生混叠畸变。在众多实际场景如房
间中、汽车内、水声浅海信道中,都亟需相关手段来解决声信号畸变问题。现有处理
方法普遍认为声多途中混响和直达声可以区分,将混响作为噪声一类的干扰掩蔽级,
然而声多途是非线性过程,混响作为同源相干干扰,不可加性抵消,因此从约束信道
的角度进行处理比较困难。本文针对瞬态声信号在有界空间传播由于多途混叠导致信
号畸变的问题,提出一种联合自相关函数的时空修正与迭代外推算法的声信号波形恢
复方法,为修正由混叠引起的信号畸变提供了新思路和新方法,也为一维解相关求逆
提供了一种解决方案,对实现声源信号的波形恢复工作具有重要意义。
针对声信号在有界空间畸变的机理问题,本文首先研究了在矩形房间和浅海波导
环境两种典型有界空间的声多途效应机理,分别采用相干虚源法(CISM)和
COMSOL简正波理论对瞬态声场进行数值计算,得到自相关函数与波形有很强的对应
关系,提出采用自相关函数来反映信号的时域特征。针对信号畸变的修正问题,根据
能量守恒定理和Wiener–Khinchin定理,推导出瞬态声信号在封闭空间和浅海波导环
境的两个自相关函数修正公式,得到距离声源等效声中心1m处的非归一化自相关函数。
针对自相关函数求逆的难题,提出在时域和频域上同时施加已知约束条件的迭代外推
算法。为验证算法的准确性和适用性,以仿真的自由场信号为参考,并对已知段信号
的限制条件进行探讨。最后在混响室、混响水池和信道水池三种有界声场条件下实验
验证了所提方法对瞬态信号恢复的有效性,恢复后的相关系数均在0.9以上,并且收敛
速度快,证明了该方法可以有效地实现有界空间瞬态声信号的恢复。
本文从声传播的物理机理分析了信号波形畸变的物理成因,并利用能量守恒定理
找到了自相关函数这一确定性观测量,找到了一条全新的信号波形恢复的技术途径。
关键词:有界空间;信号恢复;迭代外推算法;多途声场;自相关函数
有界空间的声信号畸变与恢复研究
ABSTRACT
Thephenomenonofacousticmultipathisinevitableinthesoundpropagationinbounded
space,becausethereflection,scatteringanddiffractionofsoundwilloccurinthesound
propagationprocessduetotheexistenceoftheboundary.Thereisanurgentneedtosolvethe
problemofacousticsignaldistortioninroom,carandunderwateracousticshallowsea
communication.Theexistingprocessingmethodsthinkthatthereverbandthedirectsound
canbedistinguishedinthemulti-soundprocess,butinfactthereverbishomologouscoherent
interferenceandnon-additivecancellation.Moreover,thechannelisextremelycomplexand
unstable,anditisdifficulttoobtainthechannelinformation.Therefore,thesignalrecovery
problemisconsideredbymathematicalphysicsinsteadofprocessingfromtheperspectiveof
constrained