空間自適應的被動聲源定位系統的設計

李博涵　邵燕寧　曹子君　毛勝春　王紅理

摘 要 傳統的聲源定位技術分為時延估計和空間定位兩步，本文將幾種經典的時延估計和空間定位方法加以整合與改進，提高了系統的實時性與抗干擾能力，創新性地提出并實現了根據聲源位置變化而自適應調整麥克風陣列形態的定位系統，在不降低實時性的同時，有效地降低了定位誤差。本文從定位精度、實時性和抗干擾能力三個方面對系統性能進行評估，實驗證明：理想條件下，該聲音定位系統的不確定度在4cm 以內;對噪聲和混響有較好的抵抗能力，在惡劣環境下不確定度不超過6cm;單次定位耗時0.5s，可以對運動聲源或脈沖聲源進行定位，有較強的實時性，可以適用于大部分應用場景。

關鍵詞 聲音定位;麥克風陣列;時延估計;自適應調節;自動控制

基于麥克風陣列的聲源定位技術廣泛應用于會議系統[1]、管道泄漏檢修[2]、靶場炸點測試[3]等領域。聲源定位技術大致分為三種：最大輸出功率的可控波束形成技術[4]、基于高分辨率譜估計技術[5]和基于時延估計的定位技術。其中前兩種出現較早也較為成熟，但前者需獲得聲音信號與環境信息，后者只適用于窄帶信號，在實際使用中局限性強。而基于時延估計的聲源定位技術具有運算量小、對硬件要求較低的優點[6]，是目前研究的熱點，本文對此展開研究。

基于時延估計的聲源定位技術主要分為時延估計和空間定位兩步。常見的時延估計方法有四種：GCC[7]、LMS[8]、AMDF[9]、AED[10]，本文研究了GCC與AMDF方法，并將二者相結合，最終在實時性較強的前提下提高了定位精度?？臻g定位方法分為近場定位與遠場定位[11]，其中遠場定位實時性強而近場定位精準度高，于是本文創新性地將兩種定位方法有機結合，實現了實時性、精準度均能滿足應用需求的空間定位技術。在實驗中還發現，定位精度與陣元間距及角度有關。因此在聲音定位系統的基礎上，本文探究了陣列形態對定位精度的影響，設計并實現了根據聲源方位實時調整麥克風陣列形態的定位系統，提高了定位精度。

1 時延估計方法

3.1 聲源方位角對定位誤差的影響

考慮實驗裝置的對稱性，本文只在第一象限分析不確定度。其中，聲源為距原點3 米的800Hz簡諧波。對噪聲和混響進行仿真，得出不同方向角的相對不確定度，如圖9所示。

聲源位于坐標軸附近時，定位精度最高;位于坐標軸平分線附近時精度最低。因此在進行一次粗略定位后轉動整個裝置，使坐標軸指向聲源方向，之后進行二次精準定位，即可降低定位誤差。

3.2 陣元間距對定位誤差的影響

在3.1的條件下，考慮聲源始終位于坐標軸上。以2cm 為步長，在5～29cm 范圍內逐步改變傳感器間距并計算不確定度，聲源距原點距離始終為3米，信號頻率為800Hz，相對不確定度與陣元間距關系見圖10，可見最優間距在16cm 附近。

當陣元間距過小時，陣元間時延差過小增加時延估計難度，導致誤差增大;當陣元間距過大時，定位系統處于近場條件，與2.1中的遠場近似相矛盾，導致誤差增大。陣元間距不宜過大或過小，故存在最優間距，且根據波的遠場條件，預測最優間距與聲源距離和信號頻率有關。

本文改變聲源位置和信號頻率，利用仿真模擬，做出了最優間距關于聲源距離與信號頻率的關系，如圖11所示。最佳間距正相關于聲源距離，負相關與信號頻率。

3.3 自適應調整系統的實現

在定位實驗中，我們首先進行一次粗定位，得出聲源的平均頻率與大致方位。在此基礎上與圖9和圖11中的數據進行對照，得出最優方向和最優間距，進而控制電機調整陣列方向與陣元間距并再次進行定位，最終降低定位誤差。

在硬件上，我們利用舵機云臺調整坐標架方向，利用電機滑輪結構調整陣元間距，利用單片機輸出電機控制信號。軟件上，我們利用PID 反饋控制算法[17]，快速穩定地對陣列方向與陣元間距進行調整。系統運行流程如圖12所示。

4 系統實現及性能評估

4.1 實驗儀器

實驗儀器分為信號采集裝置和機械控制裝置兩部分，如圖13所示。

信號采集裝置包括：聲音傳感器、8通道級聯示波器、直流穩壓電源以及濾波電路。機械控制裝置包括：3D 打印零件、滑塊、導軌、電機及控制板。

裝置整體是由3D 打印零件與導軌組成的三維直角坐標架與承載裝置的實驗板組成，長寬高均為65厘米。

坐標架分為六個半軸，各半軸由滑輪、導軌、裝載聲音傳感器的滑塊以及電機組成，半軸間利用3D打印零件連接。在位于水平面的四條半軸上，本系統利用電機、滑輪和彈性裝置組成的傳動結構控制傳感器移動;在豎直方向的兩條半軸上，則是利用電機、滑輪和配重控制傳感器移動，最終實現了10～30cm 的陣元間距調整。另一方面，坐標架與實驗板之間由一個大扭矩舵機連接，依此控制整個坐標架旋轉，最終實現了360°的陣列方向調整。

4.2 定位精度實驗

實驗發現，定位精度主要與信號頻率和聲源距離有關：信號頻率越高、聲源越近，定位精度越高，其中聲源距離對精度的影響更大一點，如表2所示。

對于生活中大部分聲音信號（400～4000Hz），聲源距離在1米以內時，定位誤差在4%以內;聲源距離在5米以內時，定位誤差在10%以內;若進一步提高信號頻率以及傳感器間距，可以實現更遠距離的高精度定位。本系統誤差約為傳統的靜態GCC-十字陣定位系統的一半[18]，考慮到聲源本身有一定體積，本系統基本滿足精度要求。

4.3 抗干擾實驗

在聲音定位實驗中，主要的干擾源為噪聲和混響[19]。噪聲強度常用信噪比衡量，用SNR 表示，其定義如下

其中，Ps 為聲源信號功率，Pn 為環境噪聲功率（高保真音箱的信噪比達110dB以上）?；祉憦姸瘸Ｓ没祉憰r間衡量，指從聲源停止發聲的時刻起，到能量密度衰減60dB終止，一般用T60 表示（中小學教室的混響時間標準為0.5s～0.7s）。

取聲源距離1米，信號頻率400Hz，利用Moorer混響器和高斯噪聲生成混響和噪聲信號，實驗數據如表3所示。

在惡劣的實際應用環境下，定位結果的相對誤差不超過6%，可見系統具有較強的抗干擾能力。

另外，本系統基于MATLAB 計算，單次定位參考信號長度為0.1s，運算耗時約0.4s，有較強實時性，可以對運動聲源和脈沖信號進行定位，若將程序移植至Python環境可進一步提高運算速度。

5 結語

本文對傳統定位方法進行改進與整合，制作了靜態的聲音定位系統;并基于大量實驗數據，制作了隨聲源運動而實時調整陣列形態的聲源定位系統;并從定位精度、抗干擾能力、實時性三個方面對定位系統進行性能評估。實驗結果顯示：傍軸條件下聲源定位精度較高，自適應調整系統有效地提高了定位精度;該聲音定位系統定位在理想條件下有著較高的定位精度與實時性;同時對噪聲和混響有較強的抗干擾能力，有著較廣的應用前景。

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