基于MATLAB的声源定位系统

基于MATLAB的声源定位系统 摘要

确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。

声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位方法不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法的定位精度较低。此外，已有的声源定位方法的运算量较大，难以实时处理。

关键词：传声器阵列；声源定位；Matlab

目录

第一章 绪论 1

第二章

第三章

第四章

第五章

第六章

第七章

声源定位系统的结构…………………………………………………………2 基于到达时间差的声源定位原理 3 串口通信………………………………………………………………………5 实验电路图设计 8 总结 16 参考文献 17

第一章 绪论

1.1基于传声器阵列的定位方法简述

在无噪声、无混响的情况下，距离声源很近的高性能、高方向性的单传声器可以获得高质量的声源信号。但是，这要求声源和传声器之间的位置相对固定，如果声源位置改变，就必须人为地移动传声器。若声源在传声器的选择方向之外，则会引入大量的噪声，导致拾取信号的质量下降。而且，当传声器距离声源很远，或者存在一定程度的混响及干扰的情况下，也会使拾取信号的质量严重下降。为了解决单传声器系统的这些局限性，人们提出了用传声器阵列进行声音处理的方法。

传声器阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列。相对于单个传声器而言具有更多优势，它能以电子瞄准的方式从所需要的声源方向提供高质量的声音信号，同时抑制其他的声音和环境噪声，具有很强的空间选择性，无须移动传声器就可对声源信号自动监测、定位和跟踪，如果算法设计精简得当，则系统可实现高速的实时跟踪定位。

传声器阵列的声音信号处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种不同：

（1）传统的阵列信号处理技术处理的信号一般为平稳或准平稳信号，相关函数可以通过时间相关来准确获得，而传声器阵列要处理的信号通常为短时平稳的声音信号，用时间平均来求得准确的相关函数比较困难。

（2）传统的阵列信号处理一般采用远场模型，而传声器阵列信号处理要根据不同的情况选择远场模型还是使用近场模型。近场模型和远场模型最主要的区别在于是否考虑传声器阵列各阵元因接收信号幅度衰减的不同所带来的影响，对于远场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比非常小，可忽略不计，对于近场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比较大，必须考虑各阵元接收信号的幅度差。

（3）在传统的阵列信号处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关，在传声器阵列信号处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声，这些噪声可能和信源无关，也可能相关。

由于上述阵列信号处理间的区别，给传声器阵列信号处理带来了极大的挑战。声波在传播过程中要发生幅度衰减，其幅度衰减因子与传播距离成正比，信源到传声器阵列

各阵元的距离是不同的，因此声波波前到达各阵元时，幅度也是不同的。

另外，当声音信号在传播时，由于反射、衍射等原因，使到达传声器的声音信号的路径除了直达路径外还存在着多条其它路径，从而产生接收信号的幅度衰减、音质变差等不利影响，这种现象称为混响（Reverberation)。混响效应的存在产生了很多不利影响，如所获取的声音质量下降、声源定位的精度严重降低等。

1．2 MATLAB 软件的介绍

MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，它的基本数据单位是矩阵，用 MATLAB 解算问题要比用其他语言完成相同的事情简捷得多， MATLAB 的应用范围非常广， 包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物 学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环 境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 本设计是关于平面声源定位的方针与建模，根据实验要求，我们使用了 MATLAB 软件， 在这次设计中我们通过 Neural Network Toolbox（神经网络工具箱）来解决声源定位建模 与仿真的实验，计算声源的距离和角度。

第二章 声源定位系统的结构

一个完整的声源定位系统由硬件部分和软件部分构成。具体结构如下所述。

硬件结构

完整的声源定位系统的硬件结构如图1.2所示：由一定数目按特定位置摆放的传声器阵列，信号预处理系统，同步数据采集系统和数据处理系统组成。

图1.2 声源定位系统硬件结构框图

在系统工作时，声音信号经传声器转换为电信号，然后经信号预处理系统处理后把信号调整到数据采集系统的输入信号电压范围，再经过采集系统采集后传输到数据处理系统，由数据处理系统中的软件系统处理后可得出声源的位置。

声音信号分析

声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声波借助空气向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐被吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。

除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好介质。在真空状态中声波就不能传播了。声音在不同的介质中的传播速度不同。声音的速度受温度影响，温度越高，速度越快。在15℃时，声音在空气中的传播速度为340m/s，25℃时为346m/s。它和温度的关系可以用以下公式来表示：

C =331.45 +0.61T(m/s) (2.1)

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次是温度、湿度、气压等。

第三章 基于到达时间差的声源定位原理

人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音采集时的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值（又叫时延值）。图2.1是到达时间差t的示意图。

如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时延值，则这个声源就处于以这对传声器所处的位置为焦点，到达时延所对应的声音传输距离为参数的双曲面上。使用多对传声器得到多个时延值，也就得到了多个双曲面，声源位置就处于这些双曲面的相交点。合适的安排传声器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这点就是我们要的声源位置。大多数声源定位是基于时延的方法，提高对时延估计的准确程度是这种方法的关键，而要得到准确的时延估计必须要确保有高效的信号采集能力。

图2.1到达时间差t的示意图

传声器阵列几何模型与分析

在声源定位的研究过程中，双传声器只能确定声源在以一定角度为顶角的双曲面上，不能确定声源的具体位置。所以，想要探测出声源的位置，必须摆放两组甚至多组传声器，从而组成传声器阵列。同时，定位的准确程度也取决于传声器的数量，在经过一定位置的摆放后，传声器的数量越多定位的精度也就越高。图3.3就是一种由四个传声器组成的典型传声器摆放方法。

图3.3 四个传声器的定位摆放示意图

可见，定位系统的成功与否与传声器的摆放有很大关系，传声器的数量会影响定位的精确程度。

几何定位方法

本文使用4个传声器组成的传声器阵列来实现声源定位的仿真，传声器的分布如图

3.3所示。其中，假定声源S的坐标为（x0，y0）,A1和A2摆放在X轴上，坐标为（-a，0）和（a，0）；B1和B2摆放在Y轴上，坐标为（0，a）和（0，-a）,声源S到各传声器的距

离分别为d1，d2，d3，d4。可见，4个传声器覆盖了整个平面空间，等距的分布在原点、X轴和Y轴上，这样的布局方式，一方面严密而一致，可以充分的接收声源信号；另一方面呈几何对称关系的各传声器的摆放，减少了很大部分的运算量，更高效的实现了对各个量之间的关系求解过程。

将四个传声器A1，A2,B1,B2放置于原点的平面直角坐标系中，两两分布在X和Y上，与原点的距离为a，a可以根据实际需要取值。声源发出的声音信号以不同的时间传达至各传声器，由于声速c一定，所以根据传声器阵列所获得的时间差可以计算出声源至各传声器的距离差。将采集得到的数据以数组的形式保存，继而进行下一步的运算与分析。

但是，由于本文只涉及到用计算机实现定位仿真，所以必须预先假定声源坐标，通过对假定坐标的运算得到声源S到各传声器间的距离差，此距离差将作为“已知的测量值”进行接下来的定位仿真，其过程举例如下：

传声器至原点的间距a=20，声源S坐标x0=50，y0=-200，即S=（50，-200）。 声音信号的处理

对声音信号的处理过程分为三个环节，首先通过几何方法计算声源到各传声器间的距离差，然后通过已得的距离差对声源位置进行计算，最后通过Matlab编程实现声源定位的仿真。

第四章 串口通信

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

单片机将收集到的时间差通过发送数据线TxD和接收数据线RxD发送给PC机。单片机与PC机通过RS-232C串行接口实现通信。

第五章 实验电路图设计

当超声波接收器接收到信号时，输出端输出一个脉冲，通过四组接收电路产生四个

脉冲，每两个脉冲产生一个时差脉冲。

产生的脉冲信号A1和A2通过2个JK触发器，2个与门和1个或门产生出时差脉冲，脉冲的脉宽就是声源分别到接收器A1和A2的时间差

时差脉冲放大图

总原理图

产生的2个时差脉冲分别通过单片机外部中断口INT0和INT1输入单片机，计时器启动工作方式0，当时差脉冲上升沿时，计数器启动计数；当时差脉冲下降沿时，计数器停止计数。

在Matlab程序编写时，可以使用cumsum函数实现d12的运算。以此类推，可以得到声源S到各传声器的距离差d23，d24，d52，d13，d62，d27。

但是，由于声源发出的声波在传播过程中受到外界环境中噪音、混音等多方面因素影响，所以声源到个传声器的实际距离差与计算值之间有一定程度上的偏差。为了解决这个问题，在d23，d24，d52，d13，d62，d27的计算值的基础上加上一个量“b”，b的值为一个标准差为k的数乘以一百个随机正态分布样本，可以用randn函数实现这一过程。

图显示了声源S估计值

。

第六章 总结

实现一个可仿真的声源定位系统是本论文的目的。在算法研究比较充分的基础上，设计系统结构，实现声源定位。本文对传声器阵列声源定位系统进行了系统的研究，主要工作如下：

（1）介绍了声源定位方法，总结归纳了基于传声器阵列的定位方法的优缺点。

（2）设计并实现了可仿真的声源定位系统。详细介绍了系统结构，给出了实验结

果。

本文详细地论述了基于传声器阵列的定位技术。着重介绍了基于时间差的定位方法。讨论了以上定位方法的几何模型、数据采集、算法生成和定位仿真。相对而言，基于时间差的定位方法运算量较大，但是在时间差估计有一定误差时，也能比较精确地定位。有关传声器阵列定位技术的研究尽管已经取得了重要进展，但在理论和应用上还有很多难点需要深入研究解决。首先是传声器的摆放问题。传声器的间距和相对位置可以很大地影响定位的精度。此外，也可以利用传声器的空间关系来化简定位的几何表达式。由于时间所限，本文并未涉及多声源和移动声源的情况，但这也是声源定位的一个难点。 我们懂得了做任何事情都要认真细致，不能有丝毫的马虎，特别是在确定声源时，更要做到精益求精。因为稍有差错就可能导致数据的偏差很大。我们还学会了吃苦耐劳，学会了艰苦奋斗的作风。一次实验报告要完整的做完，单靠一个人的力量和思考是远远不够的，只有小组的合作和团结才能让实验快速而高效的完成。我们每个组员都学到知识而且会实际操作，而不是抢时间，赶进度，草草了事收工。我们深知搞工程这一行，需要的就是细心，做事严谨。我们做实验不要一成不变和墨守成规，应该有改良创新的精神。在这次实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师以及不懈的努力，在各个能力上都有提高，不仅如此，我们还学会了许多学习方法，这是以后最实用的，真是受益匪浅。

第七章 参考文献

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