基于MATLAB的声源定位系统

基于MATLAB的声源定位系统摘要

确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。

声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位方法不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法的定位精度较低。此外，已有的声源定位方法的运算量较大，难以实时处理。

关键词：传声器阵列；声源定位；Matlab

目录

第一章绪论 (1)

第二章声源定位系统的结构 (2)

第三章基于到达时间差的声源定位原理 (3)

第四章串口通信 (5)

第五章实验电路图设计 (8)

第六章总结 (16)

第七章参考文献 (17)

第一章绪论

1.1基于传声器阵列的定位方法简述

在无噪声、无混响的情况下，距离声源很近的高性能、高方向性的单传声器可以获得高质量的声源信号。但是，这要求声源和传声器之间的位置相对固定，如果声源位置改变，就必须人为地移动传声器。若声源在传声器的选择方向之外，则会引入大量的噪声，导致拾取信号的质量下降。而且，当传声器距离声源很远，或者存在一定程度的混响及干扰的情况下，也会使拾取信号的质量严重下降。为了解决单传声器系统的这些局限性，人们提出了用传声器阵列进行声音处理的方法。

传声器阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列。相对于单个传声器而言具有更多优势，它能以电子瞄准的方式从所需要的声源方向提供高质量的声音信号，同时抑制其他的声音和环境噪声，具有很强的空间选择性，无须移动传声器就可对声源信号自动监测、定位和跟踪，如果算法设计精简得当，则系统可实现高速的实时跟踪定位。

传声器阵列的声音信号处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种不同：

（1）传统的阵列信号处理技术处理的信号一般为平稳或准平稳信号，相关函数可以通过时间相关来准确获得，而传声器阵列要处理的信号通常为短时平稳的声音信号，用时间平均来求得准确的相关函数比较困难。

（2）传统的阵列信号处理一般采用远场模型，而传声器阵列信号处理要根据不同的情况选择远场模型还是使用近场模型。近场模型和远场模型最主要的区别在于是否考虑传声器阵列各阵元因接收信号幅度衰减的不同所带来的影响，对于远场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比非常小，可忽略不计，对于近场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比较大，必须考虑各阵元接收信号的幅度差。

（3）在传统的阵列信号处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关，在传声器阵列信号处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声，这些噪声可能和信源无关，也可能相关。

由于上述阵列信号处理间的区别，给传声器阵列信号处理带来了极大的挑战。声波在传播过程中要发生幅度衰减，其幅度衰减因子与传播距离成正比，信源到传声器阵列

各阵元的距离是不同的，因此声波波前到达各阵元时，幅度也是不同的。

另外，当声音信号在传播时，由于反射、衍射等原因，使到达传声器的声音信号的路径除了直达路径外还存在着多条其它路径，从而产生接收信号的幅度衰减、音质变差等不利影响，这种现象称为混响（Reverberation)。混响效应的存在产生了很多不利影响，如所获取的声音质量下降、声源定位的精度严重降低等。

1．2 MATLAB 软件的介绍

MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，它的基本数据单位是矩阵，用MATLAB 解算问题要比用其他语言完成相同的事情简捷得多， MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。本设计是关于平面声源定位的方针与建模，根据实验要求，我们使用了 MATLAB 软件，在这次设计中我们通过Neural Network Toolbox（神经网络工具箱）来解决声源定位建模与仿真的实验，计算声源的距离和角度。

第二章声源定位系统的结构

一个完整的声源定位系统由硬件部分和软件部分构成。具体结构如下所述。

硬件结构

完整的声源定位系统的硬件结构如图1.2所示：由一定数目按特定位置摆放的传声器阵列，信号预处理系统，同步数据采集系统和数据处理系统组成。

图1.2 声源定位系统硬件结构框图

在系统工作时，声音信号经传声器转换为电信号，然后经信号预处理系统处理后把信号调整到数据采集系统的输入信号电压范围，再经过采集系统采集后传输到数据处理系统，由数据处理系统中的软件系统处理后可得出声源的位置。

声音信号分析

声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声波借助空气向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐被吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。

除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好介质。在真空状态中声波就不能传播了。声音在不同的介质中的传播速度不同。声音的速度受温度影响，温度越高，速度越快。在15℃时，声音在空气中的传播速度为340m/s，25℃时为346m/s。它和温度的关系可以用以下公式来表示：

C =331.45 +0.61T(m/s) (2.1)

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次是温度、湿度、气压等。

第三章基于到达时间差的声源定位原理人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音采集时的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值（又叫时延值）。图2.1是到达时间差t的示意图。

如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时延值，则这个声源就处于以这对传声器所处的位置为焦点，到达时延所对应的声音传输距离为参数的双曲面上。使用多对传声器得到多个时延值，也就得到了多个双曲面，声源位置就处于这些双曲面的相交点。合适的安排传声器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这点就是我们要的声源位置。大多数声源定位是基于时延的方法，提高对时延估计的准确程度是这种方法的关键，而要得到准确的时延估计必须要确保有高效的信号采集能力。