引言
声音事件和场景的计算分析在许多传感应用中至关重要。传统的麦克风在捕获声音时，会将来自不同声源的声音混合在一起，这给声音事件检测和分类系统带来了挑战。近年来，研究人员提出使用无线测振技术来直接从声源振动中感知声音，但这些方法在同时监测多个声源和处理非视距情况方面存在局限性。
UWHear系统简介
原理：UWHear利用脉冲无线电超宽带（IR - UWB）雷达来增强在具有挑战性环境中恢复声音的过程。IR - UWB雷达通过发送超短脉冲并收集反射脉冲来工作，其宽带宽保证了良好的测距分辨率，能够分离多个声源。
设计与实现
系统概述：UWHear由IR - UWB雷达、树莓派和信号处理算法组成，用于恢复和分离声音。
硬件和驱动：使用Novelda Xethru X4M05 IR - UWB雷达板和树莓派3B +实现，通过SPI接口连接，可设置多种参数，如SPI时钟、传输功率、有效范围、DAC设置和采样率等。
信号处理流程：包括相位噪声校正、静态杂波抑制、振动目标定位和降噪等模块，最终获得恢复的声音。
UWHear的性能测试
声音传感性能
距离测试：随着距离增加，信噪比几乎呈线性下降，最大检测范围约为8米。
穿墙穿透损耗测试：与自由空间相比，穿墙结果遭受约5dB的一次性损失，系统可在2.5米范围内有效工作。
声源放置角度测试：当扬声器锥体偏离超过10度时，信噪比迅速下降，波动在2.5dB左右。
声源频率测试：系统频率响应呈低通趋势，提示应在信号处理中使用预加重来补偿。
声音分离性能
声源距离测量：系统能够准确估计声源与传感器的距离，平均误差为11.19cm，中位数误差为11.37cm，标准差为4.88cm。
定性声音分离测试：UWHear能够分离不同距离的多个同时发生的声音，例如成功分离了两个播放不同歌曲的扬声器的声音。
定量声音分离测试：当两个声源相距25cm时，可以分别收集两个声源的声音而没有交叉干扰。
家庭环境测试：UWHear能够在家庭环境中分离洗衣机和吸尘器等常见声源的声音，且无交叉干扰。
讨论与未来工作
提高采样率：目前的采样率相对较低，未来可使用QSPI或用FPGA代替树莓派来提高数据传输率。
提高信噪比：系统在不利条件下信噪比会下降，未来可通过创新硬件设计来提高性能。
增加视场：目前传感器的视场约为50度，未来可通过集成多个IR - UWB雷达实例或使用多向天线来解决方向性问题。
潜在应用：UWHear可为声音事件检测和分类提供强大的音频传感接口，在家庭、工业和城市等场景中有广泛应用，还可与其他传感技术融合。
结论
UWHear能够直接从多个声源中获取和分离声音，同时具有穿墙感知音频振动的能力，为在复杂环境中进行稳健的音频传感迈出了有希望的一步。
