基于声传感器阵列的声源定位系统设计

李超 黄晋英 林琦

【摘要】目前国际上经过多年的研究，声源定位己经有一些初步的实际可用的定位系统。本文针对声源定位系统对数据采集的特殊要求，采用传声器阵列采集信号，使用广义互相关算法来解决时延估计的问题，开发软件系统。实验结果证明所设计的低频声源定位系统可以较为准确的实现低频声源的定位，且定位误差较小，在误差允许范围内。

【关键词】传声器阵列;声源定位;广义互相关;时延估计

引言

随着电子技术发展，声源定位的基本原理和设计变化不大，主要是采用各种现代化技术实现自动化、集成电路化，提高了性能。现有的声源定位系统一般用热线，碳粒或电容传声器接受声音信号，用无线电技术或光纤技术传输信号，用点蚀纸带或墨水纸袋记录测量结果，并把记录仪与计算机相连，用计算机处理测量结果。声测基线采用直线，弧线，正方形等多种形式。目前，定位侦察距离可达30km，精度达到1%。

本文将若干个传声器按照一定的几何结构排列，组成传声器阵列，通过阵列信号处理的方法对该阵列接收到的声源信号进行处理，设计开发了一套声源定位系统，并在本实验系统的基础上进行了声源定位实验，根据实验结果分析了系统性能，提出了改进方案，确定出声源的几何位置。

1.定位系统设计

声源定位结果可作为改善环境跟踪录音效果的依据，也可作为军事侦察的手段。声源定位系统硬件结构框：由驻极体电容传声器采集到声音信号后，经过模数转换电路板去噪，数据采集卡得到的数据传回到PC机，计算出每个传声器接收到声音到达时间差值，最后通过声源定位程序得到声源估计位置。

2.定位系统设计

2.1 数据采集

图1为声信号采集电路板实物图。

图1 声信号采集电路板

2.2 时延估计算法

实验采用改进的广义互相关时延估计算法，步骤如下：

（1）将接收信号分别通过频率响应的预滤波器，对其进行预滤波处理;

（2）对预滤波处理后得到的互功率谱密度函数进行加权，得到互功率谱密度函数[3];

（3）对互功率谱密度函数进行反傅里叶变换，得到广义相关函数;

（4）把一路互相关函数做希尔伯特变换，得到其希尔伯特变换，取绝对值，并将其和互相关函数做差值运算，得到：

（5）检测相关函数的峰值所对应的位置，即可得到估计的时延值。

2.3 声源定位方法理论

实验采用基于笛卡尔坐标系的几何定位方式，根据声源和传声器阵列空间分布位置，建立定位算法模型，利用MATLAB强大的计算能力解方程得出声源坐标。

传感器位置及各传感器之间时延可列方程式（1）：

（1）

解方程式可得声源位置。

3.低频声源定位实验验证

为了检验低频声源定位系统的定位性能，选择了在实际环境中的进行试验，通过得到的实验数据，给出了定位实验结果及精度，并对试验误差进行简单分析。

3.1 实验环境

实验是在一间普通的办公室进行，室内空间为。室内并不空旷，有办公桌等办公设备，周围墙壁未经任何处理，噪声强度中等，无风。

图2 各通道声信号波形

3.2 实验理论依据

实验时声源在房间任意位置，阵列和声源的空间几何位置：传声器1为原点，传声器2为X轴，传声器3为Y轴，传声器4为Z轴。最后声源定位的结果为。

3.3 实验结果

传声器2、3、4与传声器1间的距离为0.4m。在实验中，声源的坐标位置为，声源使用普通的哨子，以的采样频率采集声音信号。各通道波形显示如图2所示。

下面是实验中的过程数据，分别对数据进行广义互相关计算所得出的时延和根据声速得出的距离差：

表1 计算中过程量时延与距离差

相 关通 道 时延（s） 距离差（mm）

通道2相对通道1 -0.0001131 -38.455

通道3相对通道1 -0.0011234 -381.97

通道4相对通道1 -0.00018966 -64.483

根据各通道的时延使用基于笛卡尔坐标系的空间几何定位法，得到唯一的声源坐标解。MATLAB计算的声源位置结果为。为适应某些时候传声器阵列的使用，程序根据定位结果产生球坐标结果。

即，。

定位结果，与实际声源坐标相比，较为精确，符合定位精度要求。

3.4 实验误差分析

在实际的声源定位实验中，有很多因素影响着声源定位的结果。

首先各声传感器接收到声音的时间差不准确会影响定位的精度。

其次是多通道数据采集卡的采样速率，PC机的处理速度，数据采集系统本身的测量误差都会对最终的定位结果产生影响。

3.5 结论

由实验所得到的低频声源定位结果可知，在误差允许的范围之内，定位结果可以满足实际需要。

参考文献

[1]王春霞.声源定位系统时延估计算法优化研究[硕士学位论文].河南：河南工程大学，2012.

[2]郭俊成.基于传声器阵列的声源定位技术研究[硕士学位论文].南京：南京航空航天大学，2007.

[3]胡正伟.无源时差定位中时延估计方法的研究[硕士学位论文].甘肃：兰州交通大学，2012.

[4]赵海鹰.声源定位系统[硕士学位论文].合肥：中国科学技术大学，2005.

[5]崔玮玮，曹志刚，魏建强.声源定位中的时延估计技术[J].数据采集与处理，2007，22（1）：91-98.