9月28日，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances發(fā)表“A wave-confining metasphere beamforming acoustic sensor for superior human-machine voice interaction”論文，提出了聲學(xué)超球面的新概念，基于超球面缺陷腔陣列局域共振和波束形成原理，率先設(shè)計(jì)出一種聲學(xué)超球面聲音傳感器，展示了全向拾音、聲壓放大、聲源追蹤、高性能音頻克隆和語音識(shí)別等多項(xiàng)功能，即使在強(qiáng)背景噪聲環(huán)境中也能定位和識(shí)別相鄰角度的聲源，實(shí)現(xiàn)了卓越的人機(jī)聲交互性能。機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生馬珂婧和密西根學(xué)院博士生陳虎越為共同第一作者，張文明教授和密西根學(xué)院邵磊副教授為共同通訊作者。
聲學(xué)超球面及聲電耦合效果
對(duì)話是人際交流最常見和最輕松的方式，也是智能人機(jī)交互技術(shù)的重要發(fā)展方向。這一技術(shù)需要同時(shí)具有超高信噪比和靈敏度的聲學(xué)傳感器，并能夠在嘈雜環(huán)境中精確識(shí)別、定位和追蹤多個(gè)語音。目前，商用麥克風(fēng)和新興的超高靈敏度薄膜傳感器都無法解決聲波在空間內(nèi)快速耗散的根本問題，各種智能音箱和會(huì)議室全向麥克風(fēng)都時(shí)常難以有效拾音。而聲學(xué)超材料擁有調(diào)制和操縱聲波的無限可能性，已被證明能夠用于聲波的放大和分離。然而，如何利用聲超材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)人聲頻率范圍內(nèi)的超高信噪比和靈敏度參數(shù)、多個(gè)聲源的被動(dòng)放大、分離和定位，并實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用場景中的使用，是語音傳感和交互識(shí)別領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
聲學(xué)超球面的設(shè)計(jì)概念和物理機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“聲學(xué)超球面”的概念，并構(gòu)建了近似的正十二面體聲學(xué)超材料及缺陷腔結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證其聲振特性。此策略基于局域共振原理，將聲波約束在每個(gè)正五邊形中心的缺陷位置，被動(dòng)的引導(dǎo)并放大聲波，可以獲得兩倍于發(fā)射端的聲場強(qiáng)度，在遠(yuǎn)距離感知場景下彌補(bǔ)聲波在空間的快速、大幅耗散。同時(shí)利用缺陷腔內(nèi)低噪的壓電轉(zhuǎn)換性能，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的信噪比（72 dB）和卓越的靈敏度（137 mVpp/Pa or -26.3 dBV）。因此，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的音頻克隆、身份驗(yàn)證和語音識(shí)別等多種人機(jī)交互功能。
會(huì)議協(xié)助：空間多聲源與不同角度
同時(shí)，基于缺陷腔陣列，結(jié)合波束形成算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了多個(gè)聲源的實(shí)時(shí)定位和追蹤，并展示了線上會(huì)議協(xié)助和工廠巡邏搜救等多個(gè)應(yīng)用場景下的強(qiáng)大功能。聲學(xué)超球面系統(tǒng)不僅成功識(shí)別了空間內(nèi)相鄰角度同時(shí)發(fā)聲的多位用戶，還可以追蹤被強(qiáng)烈背景噪音淹沒的人聲。即使是空間內(nèi)多個(gè)相鄰角度聲音信號(hào)嚴(yán)重混雜的情況下，聲學(xué)超球面也可以基于歸一化能量圖譜來分辨不同的聲源信息和所在方位。
該研究利用物理智能構(gòu)建了多功能空間全向聲學(xué)超球面?zhèn)鞲衅鳎Y(jié)合多種智能算法優(yōu)化系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了多場景的卓越人機(jī)語音交互系統(tǒng)，為發(fā)展新一代智能機(jī)器人聽覺系統(tǒng)和人機(jī)語音交互技術(shù)提供了新思路。
工廠搜救：強(qiáng)背景噪音與移動(dòng)人聲追蹤識(shí)別
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目和上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”港澳臺(tái)科技合作項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9230
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