基于MATLAB的聲源定位系統(tǒng)

1、基于matlab的聲源定位系統(tǒng) 摘要確定一個聲源在空間中的位置是一項(xiàng)有廣闊應(yīng)用前景的有趣研究，將來可以廣泛的應(yīng)用于社會生產(chǎn)、生活的各個方面。聲源定位是通過測量物體發(fā)出的聲音對物體定位，與使用聲納、雷達(dá)、無線通訊的定位方法不同，前者信源是普通的聲音，是寬帶信號，而后者信源是窄帶信號。根據(jù)聲音信號特點(diǎn)，人們提出了不同的聲源定位算法，但由于信號質(zhì)量、噪聲和混響的存在，使得現(xiàn)有聲源定位算法的定位精度較低。此外，已有的聲源定位方法的運(yùn)算量較大，難以實(shí)時處理。關(guān)鍵詞：傳聲器陣列；聲源定位；matlab目錄第一章 緒論1第二章 聲源定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2第三章 基于到達(dá)時間差的聲源定位原理3第四章 串口通信5第五

2、章 實(shí)驗(yàn)電路圖設(shè)計(jì)8第六章 總結(jié)16第七章 參考文獻(xiàn)17第一章 緒論1.1基于傳聲器陣列的定位方法簡述在無噪聲、無混響的情況下，距離聲源很近的高性能、高方向性的單傳聲器可以獲得高質(zhì)量的聲源信號。但是，這要求聲源和傳聲器之間的位置相對固定，如果聲源位置改變，就必須人為地移動傳聲器。若聲源在傳聲器的選擇方向之外，則會引入大量的噪聲，導(dǎo)致拾取信號的質(zhì)量下降。而且，當(dāng)傳聲器距離聲源很遠(yuǎn)，或者存在一定程度的混響及干擾的情況下，也會使拾取信號的質(zhì)量嚴(yán)重下降。為了解決單傳聲器系統(tǒng)的這些局限性，人們提出了用傳聲器陣列進(jìn)行聲音處理的方法。傳聲器陣列是指由一定的幾何結(jié)構(gòu)排列而成的若干個傳聲器組成的陣列。相對于單個

3、傳聲器而言具有更多優(yōu)勢，它能以電子瞄準(zhǔn)的方式從所需要的聲源方向提供高質(zhì)量的聲音信號，同時抑制其他的聲音和環(huán)境噪聲，具有很強(qiáng)的空間選擇性，無須移動傳聲器就可對聲源信號自動監(jiān)測、定位和跟蹤，如果算法設(shè)計(jì)精簡得當(dāng)，則系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時跟蹤定位。傳聲器陣列的聲音信號處理與傳統(tǒng)的陣列信號處理主要有以下幾種不同：（1）傳統(tǒng)的陣列信號處理技術(shù)處理的信號一般為平穩(wěn)或準(zhǔn)平穩(wěn)信號，相關(guān)函數(shù)可以通過時間相關(guān)來準(zhǔn)確獲得，而傳聲器陣列要處理的信號通常為短時平穩(wěn)的聲音信號，用時間平均來求得準(zhǔn)確的相關(guān)函數(shù)比較困難。（2）傳統(tǒng)的陣列信號處理一般采用遠(yuǎn)場模型，而傳聲器陣列信號處理要根據(jù)不同的情況選擇遠(yuǎn)場模型還是使用近場模型。

4、近場模型和遠(yuǎn)場模型最主要的區(qū)別在于是否考慮傳聲器陣列各陣元因接收信號幅度衰減的不同所帶來的影響，對于遠(yuǎn)場模型，信源到各陣元的距離差與整個傳播距離相比非常小，可忽略不計(jì)，對于近場模型，信源到各陣元的距離差與整個傳播距離相比較大，必須考慮各陣元接收信號的幅度差。（3）在傳統(tǒng)的陣列信號處理中，噪聲一般為高斯噪聲(包括白、色噪聲)，與信源無關(guān)，在傳聲器陣列信號處理中噪聲既有高斯噪聲，也有非高斯噪聲，這些噪聲可能和信源無關(guān)，也可能相關(guān)。由于上述陣列信號處理間的區(qū)別，給傳聲器陣列信號處理帶來了極大的挑戰(zhàn)。聲波在傳播過程中要發(fā)生幅度衰減，其幅度衰減因子與傳播距離成正比，信源到傳聲器陣列各陣元的距離是不同的，

5、因此聲波波前到達(dá)各陣元時，幅度也是不同的。另外，當(dāng)聲音信號在傳播時，由于反射、衍射等原因，使到達(dá)傳聲器的聲音信號的路徑除了直達(dá)路徑外還存在著多條其它路徑，從而產(chǎn)生接收信號的幅度衰減、音質(zhì)變差等不利影響，這種現(xiàn)象稱為混響（reverberation)?；祉懶?yīng)的存在產(chǎn)生了很多不利影響，如所獲取的聲音質(zhì)量下降、聲源定位的精度嚴(yán)重降低等。12 matlab 軟件的介紹matlab 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory）的簡稱，它的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，用 matlab 解算問題要比用其他語言完成相同的事情簡捷得多， matlab 的應(yīng)用范圍非常廣， 包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、

6、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物 學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 matlab 函數(shù)集）擴(kuò)展了 matlab 環(huán) 境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 本設(shè)計(jì)是關(guān)于平面聲源定位的方針與建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，我們使用了 matlab 軟件， 在這次設(shè)計(jì)中我們通過 neural network toolbox（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱）來解決聲源定位建模 與仿真的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算聲源的距離和角度。第二章 聲源定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個完整的聲源定位系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)如下所述。硬件結(jié)構(gòu)完整的聲源定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示：由一定數(shù)目按特定位置擺放的傳聲器陣列，信號預(yù)處理系統(tǒng)

7、，同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。圖1.2 聲源定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖在系統(tǒng)工作時，聲音信號經(jīng)傳聲器轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)信號預(yù)處理系統(tǒng)處理后把信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號電壓范圍，再經(jīng)過采集系統(tǒng)采集后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)處理后可得出聲源的位置。聲音信號分析聲源體發(fā)生振動會引起四周空氣振蕩，那種振蕩方式就是聲波。聲波借助空氣向四面八方傳播。在開闊空間的空氣中那種傳播方式像逐漸被吹大的肥皂泡，是一種球形的陣面波。除了空氣，水、金屬、木頭等也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好介質(zhì)。在真空狀態(tài)中聲波就不能傳播了。聲音在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同。聲音的速度受溫度影響，溫

8、度越高，速度越快。在15時，聲音在空氣中的傳播速度為340m/s，25時為346m/s。它和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示：c =331.45 +0.61t(m/s) (2.1)在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)，其次是溫度、濕度、氣壓等。第三章 基于到達(dá)時間差的聲源定位原理人對聲源的定位主要用到了聲音幅度這個物理量，而機(jī)器卻可以精確的測量聲音的相位。由于聲波在空氣中以一定速度傳播，到達(dá)設(shè)置于不同位置的傳聲器的相位不同，根據(jù)這些傳聲器對同一聲音采集時的相位差別，我們可以計(jì)算出同一聲音到達(dá)每對傳聲器的時間差值（又叫時延值）。圖2.1是到達(dá)時間

9、差t的示意圖。如果我們得到了某個聲源發(fā)出的聲音到達(dá)一對傳聲器的時延值，則這個聲源就處于以這對傳聲器所處的位置為焦點(diǎn)，到達(dá)時延所對應(yīng)的聲音傳輸距離為參數(shù)的雙曲面上。使用多對傳聲器得到多個時延值，也就得到了多個雙曲面，聲源位置就處于這些雙曲面的相交點(diǎn)。合適的安排傳聲器的位置，可以使得雙曲面的交點(diǎn)只有一個，這點(diǎn)就是我們要的聲源位置。大多數(shù)聲源定位是基于時延的方法，提高對時延估計(jì)的準(zhǔn)確程度是這種方法的關(guān)鍵，而要得到準(zhǔn)確的時延估計(jì)必須要確保有高效的信號采集能力。圖2.1到達(dá)時間差t的示意圖傳聲器陣列幾何模型與分析在聲源定位的研究過程中，雙傳聲器只能確定聲源在以一定角度為頂角的雙曲面上，不能確定聲源的具體

10、位置。所以，想要探測出聲源的位置，必須擺放兩組甚至多組傳聲器，從而組成傳聲器陣列。同時，定位的準(zhǔn)確程度也取決于傳聲器的數(shù)量，在經(jīng)過一定位置的擺放后，傳聲器的數(shù)量越多定位的精度也就越高。圖3.3就是一種由四個傳聲器組成的典型傳聲器擺放方法。圖3.3 四個傳聲器的定位擺放示意圖可見，定位系統(tǒng)的成功與否與傳聲器的擺放有很大關(guān)系，傳聲器的數(shù)量會影響定位的精確程度。幾何定位方法本文使用4個傳聲器組成的傳聲器陣列來實(shí)現(xiàn)聲源定位的仿真，傳聲器的分布如圖3.3所示。其中，假定聲源s的坐標(biāo)為（x0，y0）,a1和a2擺放在x軸上，坐標(biāo)為（-a，0）和（a，0）；b1和b2擺放在y軸上，坐標(biāo)為（0，a）和（0，-

11、a）,聲源s到各傳聲器的距離分別為d1，d2，d3，d4。可見，4個傳聲器覆蓋了整個平面空間，等距的分布在原點(diǎn)、x軸和y軸上，這樣的布局方式，一方面嚴(yán)密而一致，可以充分的接收聲源信號；另一方面呈幾何對稱關(guān)系的各傳聲器的擺放，減少了很大部分的運(yùn)算量，更高效的實(shí)現(xiàn)了對各個量之間的關(guān)系求解過程。將四個傳聲器a1，a2,b1,b2放置于原點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)系中，兩兩分布在x和y上，與原點(diǎn)的距離為a，a可以根據(jù)實(shí)際需要取值。聲源發(fā)出的聲音信號以不同的時間傳達(dá)至各傳聲器，由于聲速c一定，所以根據(jù)傳聲器陣列所獲得的時間差可以計(jì)算出聲源至各傳聲器的距離差。將采集得到的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式保存，繼而進(jìn)行下一步的運(yùn)算與

12、分析。但是，由于本文只涉及到用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定位仿真，所以必須預(yù)先假定聲源坐標(biāo)，通過對假定坐標(biāo)的運(yùn)算得到聲源s到各傳聲器間的距離差，此距離差將作為“已知的測量值”進(jìn)行接下來的定位仿真，其過程舉例如下：傳聲器至原點(diǎn)的間距a=20，聲源s坐標(biāo)x0=50，y0=-200，即s=（50，-200）。聲音信號的處理對聲音信號的處理過程分為三個環(huán)節(jié)，首先通過幾何方法計(jì)算聲源到各傳聲器間的距離差，然后通過已得的距離差對聲源位置進(jìn)行計(jì)算，最后通過matlab編程實(shí)現(xiàn)聲源定位的仿真。第四章 串口通信串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個基于rs232的串口。串口同時也是儀器儀表設(shè)備通用的通信

13、協(xié)議；很多gpib兼容的設(shè)備也帶有rs-232口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。單片機(jī)將收集到的時間差通過發(fā)送數(shù)據(jù)線txd和接收數(shù)據(jù)線rxd發(fā)送給pc機(jī)。單片機(jī)與pc機(jī)通過rs-232c串行接口實(shí)現(xiàn)通信。第五章 實(shí)驗(yàn)電路圖設(shè)計(jì)當(dāng)超聲波接收器接收到信號時，輸出端輸出一個脈沖，通過四組接收電路產(chǎn)生四個脈沖，每兩個脈沖產(chǎn)生一個時差脈沖。產(chǎn)生的脈沖信號a1和a2通過2個jk觸發(fā)器，2個與門和1個或門產(chǎn)生出時差脈沖，脈沖的脈寬就是聲源分別到接收器a1和a2的時間差 時差脈沖放大圖總原理圖產(chǎn)生的2個時差脈沖分別通過單片機(jī)外部中斷口int0和int1輸入單片機(jī)，計(jì)時器啟動工作方式0，當(dāng)

14、時差脈沖上升沿時，計(jì)數(shù)器啟動計(jì)數(shù)；當(dāng)時差脈沖下降沿時，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。在matlab程序編寫時，可以使用cumsum函數(shù)實(shí)現(xiàn)d12的運(yùn)算。以此類推，可以得到聲源s到各傳聲器的距離差d23，d24，d52，d13，d62，d27。但是，由于聲源發(fā)出的聲波在傳播過程中受到外界環(huán)境中噪音、混音等多方面因素影響，所以聲源到個傳聲器的實(shí)際距離差與計(jì)算值之間有一定程度上的偏差。為了解決這個問題，在d23，d24，d52，d13，d62，d27的計(jì)算值的基礎(chǔ)上加上一個量“b”，b的值為一個標(biāo)準(zhǔn)差為k的數(shù)乘以一百個隨機(jī)正態(tài)分布樣本，可以用randn函數(shù)實(shí)現(xiàn)這一過程。圖顯示了聲源s估計(jì)值。第六章 總結(jié)實(shí)現(xiàn)一個可

15、仿真的聲源定位系統(tǒng)是本論文的目的。在算法研究比較充分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聲源定位。本文對傳聲器陣列聲源定位系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要工作如下：（1）介紹了聲源定位方法，總結(jié)歸納了基于傳聲器陣列的定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)。（2）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可仿真的聲源定位系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文詳細(xì)地論述了基于傳聲器陣列的定位技術(shù)。著重介紹了基于時間差的定位方法。討論了以上定位方法的幾何模型、數(shù)據(jù)采集、算法生成和定位仿真。相對而言，基于時間差的定位方法運(yùn)算量較大，但是在時間差估計(jì)有一定誤差時，也能比較精確地定位。有關(guān)傳聲器陣列定位技術(shù)的研究盡管已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但在理論和應(yīng)用上還有很多難

16、點(diǎn)需要深入研究解決。首先是傳聲器的擺放問題。傳聲器的間距和相對位置可以很大地影響定位的精度。此外，也可以利用傳聲器的空間關(guān)系來化簡定位的幾何表達(dá)式。由于時間所限，本文并未涉及多聲源和移動聲源的情況，但這也是聲源定位的一個難點(diǎn)。我們懂得了做任何事情都要認(rèn)真細(xì)致，不能有絲毫的馬虎，特別是在確定聲源時，更要做到精益求精。因?yàn)樯杂胁铄e就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的偏差很大。我們還學(xué)會了吃苦耐勞，學(xué)會了艱苦奮斗的作風(fēng)。一次實(shí)驗(yàn)報(bào)告要完整的做完，單靠一個人的力量和思考是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有小組的合作和團(tuán)結(jié)才能讓實(shí)驗(yàn)快速而高效的完成。我們每個組員都學(xué)到知識而且會實(shí)際操作，而不是搶時間，趕進(jìn)度，草草了事收工。我們深知搞工程這一

17、行，需要的就是細(xì)心，做事嚴(yán)謹(jǐn)。我們做實(shí)驗(yàn)不要一成不變和墨守成規(guī)，應(yīng)該有改良創(chuàng)新的精神。在這次實(shí)驗(yàn)中，在收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟。在此過程中，我們通過查找大量資料，請教老師以及不懈的努力，在各個能力上都有提高，不僅如此，我們還學(xué)會了許多學(xué)習(xí)方法，這是以后最實(shí)用的，真是受益匪淺。第七章 參考文獻(xiàn)1 趙永波，張守宏.基于特征空間的線性約束最小方差波束形成器.電子與信息學(xué)報(bào),2005,27(3):424-4262 johann f.bohme,time delay estimation by cross-covariance maximization of quadrature sam

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