0 引言

    聽覺是人感知外界環(huán)境，并與外界環(huán)境進(jìn)行交互的重要方式，根據(jù)不同物體發(fā)出的聲音，人們可以判斷出聲源的方位。而在某些特定場(chǎng)合，就需要機(jī)器來準(zhǔn)確定位出聲源的位置^[1]。因此，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展，對(duì)其開展研究具有很強(qiáng)的實(shí)踐價(jià)值^[2]。

    目前，常用的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法有3種：基于最大輸出功率的可控波束形成定位方法^[3]、基于高分辨率譜估計(jì)技術(shù)的定位方法^[4]和基于時(shí)延估計(jì)的定位方法^[5]。其中，基于時(shí)延估計(jì)的定位方法由于運(yùn)算量小、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而成為最普遍的使用方法^[6]。其方法首先估計(jì)了聲源到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延，再根據(jù)幾何關(guān)系得到聲源的位置。文獻(xiàn)[7]提出了一種改進(jìn)時(shí)延估計(jì)的聲源定位方法。該方法首先設(shè)計(jì)了四元十字型麥克風(fēng)陣列，然后在廣義互相關(guān)的基礎(chǔ)上引入二次相關(guān)算法來削弱環(huán)境噪聲產(chǎn)生的干擾，同時(shí)采用自適應(yīng)濾波算法來提高環(huán)境混響的時(shí)延精度，從而獲得更準(zhǔn)確的聲源位置。但缺少界面的直觀顯示。文獻(xiàn)[8]首先提出了GCC-IMLPT算法，并通過仿真驗(yàn)證了該算法的性能，且選取了計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性較好的球形插值法來得到聲源位置，然后研究了麥克風(fēng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定麥克風(fēng)陣列的大小，最后在實(shí)際環(huán)境中測(cè)試了系統(tǒng)的性能，但由于系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，不方便攜帶。當(dāng)前，優(yōu)化算法提高定位精度，實(shí)現(xiàn)界面的直觀顯示，以及方便攜帶成為考慮的熱點(diǎn)問題。

    本文提出一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)。采用改進(jìn)的廣義互相關(guān)算法獲取時(shí)延，進(jìn)而得到聲程差，并根據(jù)幾何關(guān)系確定聲源在空間中的位置，最后在嵌入式平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法能較準(zhǔn)確地得到聲源位置。

1 聲源定位系統(tǒng)原理 

1.1 聲源定位原理

    由于同一個(gè)聲源傳播到位置不同的各個(gè)麥克風(fēng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差稱為時(shí)延。時(shí)延與聲速相乘即可得到聲程差。由雙曲線的性質(zhì)可知，雙曲線上任意一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之差的絕對(duì)值為雙曲線的實(shí)軸長(zhǎng)。因此，聲源在以任意兩個(gè)麥克風(fēng)為焦點(diǎn)，聲程差為實(shí)軸長(zhǎng)的多條雙曲線的焦點(diǎn)上^[9]。聲源定位原理圖如圖1所示，S為聲源。

1.2 改進(jìn)的廣義互相關(guān)算法

    廣義互相關(guān)算法是目前最常用的一種時(shí)延估計(jì)方法。廣義互相關(guān)算法是通過將兩路聲音信號(hào)從時(shí)域變化為頻域，并求得兩信號(hào)之間的互功率譜，再進(jìn)行加權(quán)，這樣可以降低噪聲和反射帶來的誤差，然后經(jīng)過反傅里葉變換，將頻域轉(zhuǎn)換回時(shí)域得到互相關(guān)函數(shù)并計(jì)算峰值，峰值所對(duì)應(yīng)的位置即時(shí)延^[10]。廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)基本原理和流程圖如圖2所示。

    由于聲源不斷產(chǎn)生聲音信號(hào)，麥克風(fēng)接收到聲源傳來的聲音信號(hào)。假設(shè)麥克風(fēng)1、2接收到聲音信號(hào)的理想模型為：

    在理想情況下或在弱噪聲和弱混響的環(huán)境下互功率譜可近似表示為：

    互功率譜加權(quán)函數(shù)(PHAT)通過對(duì)信號(hào)互功率譜歸一化，去除信號(hào)的幅度信息，只保留了信號(hào)的相位特性，對(duì)噪聲和混響有一定的抑制作用^[11]。

2 空間定位方法

    目前有2種方法估計(jì)聲源位置：通過搜索的方式和通過幾何的方式。由于本文采用的是三維陣列，故采用幾何的方法估計(jì)聲源位置。

    本文采用球形插值法對(duì)聲源位置進(jìn)行估計(jì)。球型插值法根據(jù)多個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)參考麥克風(fēng)的時(shí)延和各個(gè)麥克風(fēng)的矢量位置得到一個(gè)誤差方程組，并求其最小二乘解^[12]。

    如圖3所示，聲源的坐標(biāo)點(diǎn)用s(x，y，z)表示，麥克風(fēng)m₀放在原點(diǎn)處作為參考點(diǎn)，m_i表示其他麥克風(fēng)的坐標(biāo)位置，i∈[1，5]，各麥克風(fēng)與參考麥克風(fēng)之間的聲程差用d_i表示。

    聲源s應(yīng)該滿足矢量方程：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    本文系統(tǒng)在硬件上主要包括三維陣列、麥克風(fēng)模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)。三維陣列模型如圖4所示，相鄰兩麥克風(fēng)之間的距離為50 cm，麥克風(fēng)采用MAX9812麥克風(fēng)模塊，為全向性麥克風(fēng)，20 dB固定增益放大。選用 USB DAQ多功能數(shù)據(jù)采集卡采集聲音數(shù)據(jù)，采集卡的輸入端通過6根數(shù)據(jù)線與麥克風(fēng)陣列相連，輸出端通過USB連接計(jì)算機(jī)，USB DAQ采集卡具有8路差分16位高速同步模擬信號(hào)采集，8 個(gè)AD620高精度差分放大器，16路數(shù)字信號(hào)單向輸入，16路數(shù)字信號(hào)單向輸出。單通道的采樣頻率最大可達(dá)200 kHz。本實(shí)驗(yàn)只使用了其中6路通道。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

    通過具體實(shí)驗(yàn)對(duì)麥克風(fēng)陣列以及算法進(jìn)行驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)存在一定的噪聲，噪聲主要來源于室內(nèi)照明設(shè)備、電腦風(fēng)扇以及空調(diào)，聲源為手機(jī)播放的一段音樂。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為200 kHz,采樣位數(shù)為16位，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為1×105個(gè)。

    測(cè)試時(shí)，對(duì)每個(gè)位置都進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，求取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為6次實(shí)驗(yàn)的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    由表1的定位結(jié)果來看，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了聲源定位的基本功能，角度的誤差在±5°以內(nèi)，能夠較準(zhǔn)確地找到聲源所在的方位，距離誤差不超過±15 cm，在所接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用6個(gè)麥克風(fēng)組成的三維陣列，并根據(jù)改進(jìn)的廣義互相關(guān)算法獲取時(shí)延，再根據(jù)球形插值法確定聲源在空間中的位置。

    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可以看出，該算法得到的聲源位置較準(zhǔn)確。而且本系統(tǒng)能將聲源的位置信息顯示在界面上，具有更加直觀的效果。不足的是，系統(tǒng)不夠便攜且只能定位單聲源，后續(xù)需要進(jìn)一步研究將算法移植到便攜式開發(fā)板上以及多聲源定位算法。

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作者信息:

余秋婷，熊俊俏

(武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430205)