李博涵　邵燕寧　曹子君　毛勝春　王紅理

摘 要 傳統(tǒng)的聲源定位技術(shù)分為時(shí)延估計(jì)和空間定位兩步，本文將幾種經(jīng)典的時(shí)延估計(jì)和空間定位方法加以整合與改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與抗干擾能力，創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了根據(jù)聲源位置變化而自適應(yīng)調(diào)整麥克風(fēng)陣列形態(tài)的定位系統(tǒng)，在不降低實(shí)時(shí)性的同時(shí)，有效地降低了定位誤差。本文從定位精度、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)證明：理想條件下，該聲音定位系統(tǒng)的不確定度在4cm 以內(nèi);對(duì)噪聲和混響有較好的抵抗能力，在惡劣環(huán)境下不確定度不超過(guò)6cm;單次定位耗時(shí)0.5s，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源或脈沖聲源進(jìn)行定位，有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以適用于大部分應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞 聲音定位;麥克風(fēng)陣列;時(shí)延估計(jì);自適應(yīng)調(diào)節(jié);自動(dòng)控制

基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于會(huì)議系統(tǒng)[1]、管道泄漏檢修[2]、靶場(chǎng)炸點(diǎn)測(cè)試[3]等領(lǐng)域。聲源定位技術(shù)大致分為三種：最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)[4]、基于高分辨率譜估計(jì)技術(shù)[5]和基于時(shí)延估計(jì)的定位技術(shù)。其中前兩種出現(xiàn)較早也較為成熟，但前者需獲得聲音信號(hào)與環(huán)境信息，后者只適用于窄帶信號(hào)，在實(shí)際使用中局限性強(qiáng)。而基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位技術(shù)具有運(yùn)算量小、對(duì)硬件要求較低的優(yōu)點(diǎn)[6]，是目前研究的熱點(diǎn)，本文對(duì)此展開(kāi)研究。

基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位技術(shù)主要分為時(shí)延估計(jì)和空間定位兩步。常見(jiàn)的時(shí)延估計(jì)方法有四種：GCC[7]、LMS[8]、AMDF[9]、AED[10]，本文研究了GCC與AMDF方法，并將二者相結(jié)合，最終在實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的前提下提高了定位精度。空間定位方法分為近場(chǎng)定位與遠(yuǎn)場(chǎng)定位[11]，其中遠(yuǎn)場(chǎng)定位實(shí)時(shí)性強(qiáng)而近場(chǎng)定位精準(zhǔn)度高，于是本文創(chuàng)新性地將兩種定位方法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)度均能滿足應(yīng)用需求的空間定位技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，定位精度與陣元間距及角度有關(guān)。因此在聲音定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文探究了陣列形態(tài)對(duì)定位精度的影響，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了根據(jù)聲源方位實(shí)時(shí)調(diào)整麥克風(fēng)陣列形態(tài)的定位系統(tǒng)，提高了定位精度。

1 時(shí)延估計(jì)方法

3.1 聲源方位角對(duì)定位誤差的影響

考慮實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)稱性，本文只在第一象限分析不確定度。其中，聲源為距原點(diǎn)3 米的800Hz簡(jiǎn)諧波。對(duì)噪聲和混響進(jìn)行仿真，得出不同方向角的相對(duì)不確定度，如圖9所示。

聲源位于坐標(biāo)軸附近時(shí)，定位精度最高;位于坐標(biāo)軸平分線附近時(shí)精度最低。因此在進(jìn)行一次粗略定位后轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)裝置，使坐標(biāo)軸指向聲源方向，之后進(jìn)行二次精準(zhǔn)定位，即可降低定位誤差。

3.2 陣元間距對(duì)定位誤差的影響

在3.1的條件下，考慮聲源始終位于坐標(biāo)軸上。以2cm 為步長(zhǎng)，在5～29cm 范圍內(nèi)逐步改變傳感器間距并計(jì)算不確定度，聲源距原點(diǎn)距離始終為3米，信號(hào)頻率為800Hz，相對(duì)不確定度與陣元間距關(guān)系見(jiàn)圖10，可見(jiàn)最優(yōu)間距在16cm 附近。

當(dāng)陣元間距過(guò)小時(shí)，陣元間時(shí)延差過(guò)小增加時(shí)延估計(jì)難度，導(dǎo)致誤差增大;當(dāng)陣元間距過(guò)大時(shí)，定位系統(tǒng)處于近場(chǎng)條件，與2.1中的遠(yuǎn)場(chǎng)近似相矛盾，導(dǎo)致誤差增大。陣元間距不宜過(guò)大或過(guò)小，故存在最優(yōu)間距，且根據(jù)波的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，預(yù)測(cè)最優(yōu)間距與聲源距離和信號(hào)頻率有關(guān)。

本文改變聲源位置和信號(hào)頻率，利用仿真模擬，做出了最優(yōu)間距關(guān)于聲源距離與信號(hào)頻率的關(guān)系，如圖11所示。最佳間距正相關(guān)于聲源距離，負(fù)相關(guān)與信號(hào)頻率。

3.3 自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在定位實(shí)驗(yàn)中，我們首先進(jìn)行一次粗定位，得出聲源的平均頻率與大致方位。在此基礎(chǔ)上與圖9和圖11中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，得出最優(yōu)方向和最優(yōu)間距，進(jìn)而控制電機(jī)調(diào)整陣列方向與陣元間距并再次進(jìn)行定位，最終降低定位誤差。

在硬件上，我們利用舵機(jī)云臺(tái)調(diào)整坐標(biāo)架方向，利用電機(jī)滑輪結(jié)構(gòu)調(diào)整陣元間距，利用單片機(jī)輸出電機(jī)控制信號(hào)。軟件上，我們利用PID 反饋控制算法[17]，快速穩(wěn)定地對(duì)陣列方向與陣元間距進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖12所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能評(píng)估

4.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器分為信號(hào)采集裝置和機(jī)械控制裝置兩部分，如圖13所示。

信號(hào)采集裝置包括：聲音傳感器、8通道級(jí)聯(lián)示波器、直流穩(wěn)壓電源以及濾波電路。機(jī)械控制裝置包括：3D 打印零件、滑塊、導(dǎo)軌、電機(jī)及控制板。

裝置整體是由3D 打印零件與導(dǎo)軌組成的三維直角坐標(biāo)架與承載裝置的實(shí)驗(yàn)板組成，長(zhǎng)寬高均為65厘米。

坐標(biāo)架分為六個(gè)半軸，各半軸由滑輪、導(dǎo)軌、裝載聲音傳感器的滑塊以及電機(jī)組成，半軸間利用3D打印零件連接。在位于水平面的四條半軸上，本系統(tǒng)利用電機(jī)、滑輪和彈性裝置組成的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)控制傳感器移動(dòng);在豎直方向的兩條半軸上，則是利用電機(jī)、滑輪和配重控制傳感器移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了10～30cm 的陣元間距調(diào)整。另一方面，坐標(biāo)架與實(shí)驗(yàn)板之間由一個(gè)大扭矩舵機(jī)連接，依此控制整個(gè)坐標(biāo)架旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了360°的陣列方向調(diào)整。

4.2 定位精度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定位精度主要與信號(hào)頻率和聲源距離有關(guān)：信號(hào)頻率越高、聲源越近，定位精度越高，其中聲源距離對(duì)精度的影響更大一點(diǎn)，如表2所示。

對(duì)于生活中大部分聲音信號(hào)（400～4000Hz），聲源距離在1米以內(nèi)時(shí)，定位誤差在4%以內(nèi);聲源距離在5米以內(nèi)時(shí)，定位誤差在10%以內(nèi);若進(jìn)一步提高信號(hào)頻率以及傳感器間距，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的高精度定位。本系統(tǒng)誤差約為傳統(tǒng)的靜態(tài)GCC-十字陣定位系統(tǒng)的一半[18]，考慮到聲源本身有一定體積，本系統(tǒng)基本滿足精度要求。

4.3 抗干擾實(shí)驗(yàn)

在聲音定位實(shí)驗(yàn)中，主要的干擾源為噪聲和混響[19]。噪聲強(qiáng)度常用信噪比衡量，用SNR 表示，其定義如下

其中，Ps 為聲源信號(hào)功率，Pn 為環(huán)境噪聲功率（高保真音箱的信噪比達(dá)110dB以上）。混響強(qiáng)度常用混響時(shí)間衡量，指從聲源停止發(fā)聲的時(shí)刻起，到能量密度衰減60dB終止，一般用T60 表示（中小學(xué)教室的混響時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)為0.5s～0.7s）。

取聲源距離1米，信號(hào)頻率400Hz，利用Moorer混響器和高斯噪聲生成混響和噪聲信號(hào)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

在惡劣的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，定位結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)6%，可見(jiàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

另外，本系統(tǒng)基于MATLAB 計(jì)算，單次定位參考信號(hào)長(zhǎng)度為0.1s，運(yùn)算耗時(shí)約0.4s，有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源和脈沖信號(hào)進(jìn)行定位，若將程序移植至Python環(huán)境可進(jìn)一步提高運(yùn)算速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)定位方法進(jìn)行改進(jìn)與整合，制作了靜態(tài)的聲音定位系統(tǒng);并基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制作了隨聲源運(yùn)動(dòng)而實(shí)時(shí)調(diào)整陣列形態(tài)的聲源定位系統(tǒng);并從定位精度、抗干擾能力、實(shí)時(shí)性三個(gè)方面對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：傍軸條件下聲源定位精度較高，自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)有效地提高了定位精度;該聲音定位系統(tǒng)定位在理想條件下有著較高的定位精度與實(shí)時(shí)性;同時(shí)對(duì)噪聲和混響有較強(qiáng)的抗干擾能力，有著較廣的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張澤.會(huì)議電視系統(tǒng)中自動(dòng)定位原理及其實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014，17（17）：290+292.

ZHANG Z. Automatic location principle and its implementationin video conference system[J]. Computer CD Softwareand Application，2014，17（17）：290+292. （in Chinese）

[2] 鄭曉亮，廖冉，王強(qiáng).埋地輸氣管道泄漏振動(dòng)聲源雙陣列定位方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2023，3（28）：1-14.

ZHENG X L， LIAO R， WANG Q. Double-array locationmethod for leakage vibration sound source of buried gastransmission pipelines[J]. Oil & Gas Storage and Transportation，2023，3（28）：1-14. （in Chinese）

[3] 胥磊.多陣列融合的炸點(diǎn)聲定位技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2021.

[4] HAHN W， TRETTER S. Optimum processing for delayvectorestimation in passive signal arrays[J]. IEEE Transactionson Information Theory， 1973， 19（5）： 608-614.

[5] WANG H， KAVEH M. Coherent signal-subspace processingfor the detection and estimation of angles of arrival ofmultiple wide-band sources[J]. IEEE Transactions on Acoustics，Speech and Signal Processing， 1985， 33（4）： 823-831.

[6] 徐勤奇，楊鵬.基于正四面體陣列的聲源定位算法及誤差分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30（7）：296-299.

XU Q Q， YANG P. Sound source location algorithm anderror analysis based on tetrahedral array[J]. Computer Simulation，2013，30（07）：296-299. （in Chinese）

[7] KNAPP C， CARTER G C. The generalized correlationmethod for estimation of time delay[J]. IEEE Transactionson Acoustics， Speech and Signal Processing， 1976， 24（4）：320-327.

[8] REED F， FEINTUCH P L， BERSHAD N J. Time delayestimation using the LMS adaptive filter-static behavior[J].IEEE Transactions on Acoustics， Speech and Signal Processing，1981， 29（3）： 561-571.

[9] ROSS M， SHAFFER H， COHEN A， et al. Average magnitudedifference function pitch extractor[J]. IEEE Transactionson Acoustics， Speech and Signal Processing， 1974，22（5）： 353-362.

[10] BENESTY J. Adaptive eigenvalue decomposition algorithm forpassive acoustic source localization[J]. The Journal of the AcousticalSociety of America， 2000， 107（1）： 384-391.

[11] 行鴻彥，楊旭，張金玉.基于四元傳聲器陣列的聲源全方位定位算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（11）：43-50.

XING H Z， YANG X， ZHANG J Y. Sound source omnidirectionallocation algorithm based on four-element microphonearray[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2018，39（11）： 43-50. （in Chinese）

[12] 李揚(yáng). 基于小型麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[13] 周婧潔，陳建平，吉曉東.幾種數(shù)字混響器模型的比較與分析[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，9（2）：23-28.

ZHOU J J， CHEN J P， JI X D. Comparison and analysisof several digital reverberator models[J]. Journal of NantongUniversity （Natural Science Edition）， 2010， 9（2）：23-28. （in Chinese）

[14] 陳曉輝，孫昊，張恒，等.基于聲源陣列的空間麥克風(fēng)定位方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2020，37（5）：1437-1439.

CHEN X H， SUN H， ZHANG H， et al. Research on spatialmicrophone location based on sound source array[J].Applied Research of Computer， 2019， 37（5）： 1437-1439.（in Chinese）

[15] 張曉光，呂海峰，呂傳茂，等.四元十字麥克風(fēng)陣聲源定位算法研究[J].中國(guó)測(cè)試，2020，46（2）：96-102.

ZHANG X G， LV H F， LV C M， et al. Research onsound source location algorithm of four-element cross microphonearray[J]. China Test and Technology， 2019， 46（2）：96-102. （in Chinese）

[16] SMITH J O， ABEL J S. The spherical interpolation methodof source localization[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，1987， 12（1）： 246-252.

[17] 王偉，張晶濤，柴天佑.PID 參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000（3）：347-355.

WANG W， ZHANG J T， CHAI T Y. Summary of advancedtuning methods for PID parameters[J]. Acta AutomaticaSinica， 2000（3）： 347-355. （in Chinese）

[18] 程方曉，劉璐，姚清華，等.基于改進(jìn)時(shí)延估計(jì)的聲源定位算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2018，56（3）：681-687.

CHANG F X， LIU L， YAO Q H， et al. Sound source locationalgorithm based on improved time delay estimation[J]. Journal of Jilin University （Science Edition）， 2018，56（3）： 681-687. （in Chinese）

[19] 李海鵬，孫大軍，鄭翠娥.強(qiáng)干擾環(huán)境下水聲時(shí)延估計(jì)技術(shù)研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2021，43（3）：873-880.

LI H P， SUN D J， CHENG C E. Research on underwateracoustic time delay estimation under strong interference environment[J]. Journal of Electronics and InformationTechnology， 201， 43（3）： 873-880. （in Chinese）