李曉陽，李世豪，范天一，王富達(dá)

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211156)

引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，在現(xiàn)實(shí)生活中很多東西是不可以隨意拆卸的，或者拆卸的難度很大要耗費(fèi)很大成本。例如：汽車、家電、航空航天等聲音，尤其是噪聲和異響，它往往意味著產(chǎn)品質(zhì)量的問題，有故障，存在風(fēng)險(xiǎn)隱患，而我們要解決這些質(zhì)量、故障、事故等問題。通過噪聲源定位技術(shù)，確定產(chǎn)生這些問題的位置。

現(xiàn)代工業(yè)制造中我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的機(jī)械設(shè)備在正常工作狀態(tài)下，會(huì)發(fā)出平穩(wěn)而有規(guī)律的噪聲，而當(dāng)設(shè)備老化或者發(fā)生其他故障時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生明顯異于平常的工作噪聲，這就為“以設(shè)備運(yùn)行聲音判斷設(shè)備健康狀態(tài)”提供了有利的條件。聲音信號(hào)包含豐富的信息量，在很多視覺、觸覺、嗅覺不適用的場景下，具有獨(dú)特優(yōu)勢。同時(shí)，聲音信號(hào)具備非接觸性，可有效避免振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的困難。在國防現(xiàn)代化方面，聲源定位技術(shù)可以用來測量在地面作戰(zhàn)的炮兵陣地；可以用來找到隱藏在某地的狙擊手位置，還可用于測量彈藥試驗(yàn)火炮的著落點(diǎn)和空中炸點(diǎn)[1]。隨著現(xiàn)在隱身技術(shù)的迅速發(fā)展，原本應(yīng)用在軍事坦克和直升機(jī)上的傳統(tǒng)檢測技術(shù)已經(jīng)喪失作用，在這種情況下，被動(dòng)聲源探測技術(shù)將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。

1 理論基礎(chǔ)

本系統(tǒng)中涉及的算法包含F(xiàn)FT 算法及TDOA 算法，關(guān)于上述兩種算法的基本原理如下所示。

1.1 FFT 算法

因?yàn)槁曇羰且粋€(gè)隨時(shí)間變化的連續(xù)函數(shù)，任意一段間隔內(nèi)都有無窮多個(gè)值，而無窮多的數(shù)據(jù)是沒辦法存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的。想要存儲(chǔ)，我們就需要將它離散化變成離散序列，具體的方法就是采樣，使用固定的間隔對函數(shù)進(jìn)行求值。見圖1。

圖1 采樣后的結(jié)果

通過采樣，我們將一個(gè)無盡序列變成了一個(gè)有限序列，其中每一個(gè)值叫做樣本，這樣就可以方便在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)了。采樣的關(guān)鍵參數(shù)有兩個(gè)，分別是采樣頻率和采樣深度[2]。采樣頻率是指每秒鐘采樣多少次，很明顯，采樣頻率越高，樣本越多，數(shù)據(jù)量越大，同時(shí)也更接近原始的聲音。采樣深度是指用多少比特去存儲(chǔ)采樣得到的值，使用的比特越多，還原得到的聲音越細(xì)膩，和圖片的色彩深度是一個(gè)道理。見圖2、圖3。

圖2 三段波形疊加之前的結(jié)果

圖3 三段波形疊加后的結(jié)果

通過FFT 算法，我們可以將一個(gè)復(fù)合波形拆解為構(gòu)成它的簡單波形，即將結(jié)果2 轉(zhuǎn)換成結(jié)果1。隨聲音跳動(dòng)的每個(gè)柱子，對應(yīng)的是一個(gè)頻率或一組頻率，而柱子的高度則是頻率的分量大小，這兩個(gè)信息傅里葉變換都能給到。將想要得到的某一組或一段頻率提取并識(shí)別，即可做到濾波降噪[3]。

1.2 TDOA 算法

基于TDOA 的聲源定位算法具有運(yùn)算量小、算法簡單易實(shí)現(xiàn)、定位精度較高、硬件成本低的特點(diǎn)，使得該算法在實(shí)際中的應(yīng)用非常廣泛，而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求聲源設(shè)為（x，y），為第i 個(gè)聲音的接收模塊坐標(biāo)為（xi，yi）。

因此發(fā)射聲音與拾音器之間滿足式（1）

然后可知Riy 代表發(fā)射聲音電路的第i 個(gè)接收模塊的距離差，則雙曲線定位中發(fā)射聲音（x，y）和拾音器（xi，yi）滿足式（2）

采用相位檢波的方法，將兩路正弦信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，采用ADC 測量電壓信號(hào)就可以反向計(jì)算得到相位差，這樣最終就可以轉(zhuǎn)化為方程求解問題實(shí)現(xiàn)聲源定位[4]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用麥克風(fēng)陣列與樹莓派相結(jié)合，樹莓派處理麥克風(fēng)陣列的數(shù)據(jù)，在樹莓派處理完數(shù)據(jù)以后傳入Arduino，采用串口通信的方式將麥克風(fēng)陣列獲取到的數(shù)據(jù)傳入到Arduino，通過Arduino 進(jìn)行云臺(tái)控制，實(shí)現(xiàn)激光定位，此外，為彌補(bǔ)市場上大部分聲音定位技術(shù)的不足，如使用雷達(dá)搜索目標(biāo)面臨的電子干擾，仿人雙耳聲源定位在多干擾的場景下會(huì)面臨定位的準(zhǔn)確的問題。本系統(tǒng)采用了FFT 算法，TDOA 算法，使本系統(tǒng)可以達(dá)到一個(gè)精準(zhǔn)定位的程度[5]，在用戶啟動(dòng)樹莓派并移動(dòng)到指定區(qū)域以后，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)激光模塊進(jìn)行定位，使用者也可以更據(jù)具體環(huán)境需求，對標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

處理器：采用Raspberry Pi 基金會(huì)生產(chǎn)的樹莓派見圖4。樹莓派是Raspberry Pi 基金會(huì)開發(fā)的一款微型電腦，樹莓派4B 在處理器速度，多媒體性能，內(nèi)存和連接方面提供了突破性的增長，同時(shí)保留了向后兼容性和類似的功耗，且容易對其進(jìn)行編程處理，基本可以滿足本次設(shè)計(jì)要求，后期調(diào)試工作也更加方便。

圖4 Raspberry Pi 基金會(huì)生產(chǎn)的樹莓派

麥克風(fēng)陣列（見圖5）：麥克風(fēng)陣列模塊使用六個(gè)麥克風(fēng)模塊組裝完成，據(jù)有可以定位聲源方向的功能采用電容式駐極體話筒(咪頭)，該元件能將一般的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。價(jià)格便宜，便于設(shè)計(jì)，之后再自行設(shè)計(jì)濾波與放大電路，一起構(gòu)成聲音信號(hào)接收模塊。

圖5 麥克風(fēng)陣列

裝置顯示電路采用0.96 寸OLED 屏幕（見圖6），可設(shè)計(jì)ui 實(shí)時(shí)顯示B 點(diǎn)位置和上述直線距離與夾角。

圖6 OLED 屏幕

聲源指示控制裝置:采用二維云臺(tái)承載激光筆（見圖7）。云臺(tái)不僅可水平轉(zhuǎn)向，還可以豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，并且云臺(tái)扭矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)力度較MG945 大。

圖7 源指示控制裝置

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 聲音檢測聲源檢測模塊依麥克風(fēng)陣列，基于GPIO 框架編寫麥克風(fēng)陣列的使用程序，判斷當(dāng)前是否有聲音發(fā)出。

(2) 聲音預(yù)處理 當(dāng)麥克風(fēng)陣列接收到聲源以后，樹莓派使用FFT 執(zhí)行預(yù)處理算法對聲音進(jìn)行降噪處理，去除無用的噪聲，便于后續(xù)對聲源進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

(3) 云臺(tái)驅(qū)動(dòng) 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊依托Arduino，基于GPIO 框架編寫二維云臺(tái)硬件的使用程序，使之能夠根據(jù)樹莓派的輸出，驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)合適角度，從而將激光筆指向聲源發(fā)出的位置。

3 系統(tǒng)工作原理

采用計(jì)算機(jī)聲音系統(tǒng)識(shí)別，通過麥克風(fēng)陣列，應(yīng)用FFT 算法進(jìn)行降噪處理，通過樹莓派上的聲音識(shí)別系統(tǒng)，檢測當(dāng)前的聲源進(jìn)行定位，最終用云臺(tái)舵機(jī)定位聲源發(fā)出的位置，從而實(shí)現(xiàn)聲源定位的目的。第一步，將待聲源放于置物板上，麥克風(fēng)陣列檢測到聲源，聲源定位系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。第二步，云臺(tái)舵機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度由檢測到的聲源確定，可以旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°。待云臺(tái)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到聲源發(fā)出位置時(shí)激光筆開啟。第三步云臺(tái)舵機(jī)完成一次工作，等待下一次工作周期的到來，再一次進(jìn)行聲源定位操作。第四步，樹莓派通過TDOA 算法對聲源進(jìn)行定位處理，將處理好的數(shù)據(jù)傳遞給Arduino，Arduino 將通過外接0.96 寸OLED 屏幕，從而可以在顯示屏上直接顯示，使用戶能夠方便、快捷地查閱信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

由表1 結(jié)果分析可知:

表1 該裝置在1 m～3 m 范圍內(nèi)測試結(jié)果距離分析

（1） 雜音環(huán)境下測試與有較低響度的聲音麥克風(fēng)接收信號(hào)強(qiáng)烈，精度較高。

（2） 1 m 位置時(shí)紅外線偏離圓心2°以內(nèi)。2 m位置時(shí)紅外線偏離圓1°～3°。3 m 位置時(shí)紅外線偏離圓點(diǎn)5°左右。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于Raspberry Pi 開發(fā)板的聲音定位系統(tǒng)，利用麥克風(fēng)陣列能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境聲音進(jìn)行精確的監(jiān)測，一旦發(fā)生異響可快速找到存在故障的地方，并對故障位置進(jìn)行快速有效的處理，研究結(jié)果大大降低汽車的風(fēng)險(xiǎn)隱患，同時(shí)在家電、航空航天等領(lǐng)域存在的安全隱患有很大的前景[6]，然而，由于實(shí)驗(yàn)水平有限，本系統(tǒng)的測試結(jié)果存在一定程度誤差，測試結(jié)果容易受到外界環(huán)境干擾，但整體應(yīng)用效果較為顯著，在后續(xù)的研究中我們將會(huì)從算法及元件選擇方面進(jìn)一步改進(jìn)，從而獲得更為準(zhǔn)確的測試結(jié)果以指導(dǎo)實(shí)踐。