在人工系統中，科研人員通常藉助由多個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量和物理尺寸，這種陣列系統不僅不便於安裝和操控，處理多通道信號的計算成本往往也很大，從而導致其應用受限。
受生物聽音機制的啟發，中國科學院聲學研究所噪聲與振動重點實驗室博士生孫雪聰與其導師、研究員楊軍、賈晗提出了一種基於聲學超材料的單通道多聲源的定位與分離系統，用一個帶有超材料外殼的單通道麥克風實現了三維空間中多個同時發聲聲源的實時定位與分離。
相關研究成果近期發表於國際學術期刊Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201902271)，並被選為當期封面文章（Inside back cover）。
研究人員將麥克風嵌入到精心設計的三維超材料結構中(圖1a)，該結構以與來波方向相關的方式修改麥克風的頻率響應(圖1b)，從而對來自三維空間中不同方向的信號進行編碼。研究人員還提出了一種聯合重建算法VSPCA-OMP，該算法具有較低的複雜度，可以基於採集到的單通道數據實現多聲源的實時定位和分離。整個系統的工作流程示意圖如圖1c所示。
為了證明該系統的定位與分離能力，研究人員針對多個場景開展了聽音測試，結果表明，當空間中同時發聲的聲源數量不超過3個時，該系統的定位與分離的平均準確率維持在90%以上（圖2）。由於所提出的算法複雜度較低，每次重建過程耗時均控制在1s以內，良好的實時性使該系統也可用於識別和追蹤聲目標。
未來該系統有望應用於智能場景監測、機器聽覺及語音識別的前端處理等領域。
該研究得到國家自然科學基金(No.11874387)、中科院青年創新促進會(No.2017029)、聲學所青年英才計劃項目(QNYC201719)的資助。
圖1 基於聲學超材料的單通道多聲源的定位與分離系統:（a）超材料外殼模型（b）超材料外殼某4個方向的頻率響應仿真結果（c）定位與分離系統的工作流程圖（圖/中科院聲學所）
圖2 多場景聽音測試結果（圖/中科院聲學所）
來源：中國科學院聲學研究所