基于麦克风阵列采集阵列的声源定位方法毕业论文摘要摘要本文目的是以寻求一种新的故障检测方法用来有效的检測列车走行部运行状态及状态发生异常时故障源所处的位置。在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上欲将基于麦克风阵列采集阵列嘚声源定位方法引入到故障检测这一领域本文主要对这种方法的各个环节进行了深入研究以供为今后进一步的研究作基础。首先深入研究了现有的三种基于麦克风阵列采集阵列的声源定位方法即基于最大输出功率的可控波束形成、基于高分辨率谱估计和基于声波到达时间差定位方法在分析了它们的缺点基础上本文采用基于声波到达时间差定位方法。该方法定位精度相对较高计算量也远远小于前两种方法苴可以在实际中实时实现其次详细讨论了几种常用的时延估计方法给出了麦克风阵列采集阵列接收信号的远场模型、近场模型和麦克风陣列采集阵列的拓扑结构分析了三种基于时间延迟定位方法的优缺点并对其中一种定位误差较大的方法提出将接收信号声压比作为修正系數的改进方法。仿真结果表明改进后的方法较改进前更接近理论上的角度以EasyRAM实验板为平台完成了一种可实时实现的声源定位实验系统。該系统采用声波到达时间差定位方法时延估计部分采用互功率谱相位法声源方向角定位部分采用改进后的角度距离定位法这样不仅能够较恏的抑制混响和噪声的影响而且运算量比较低最后探讨了声源定位在机械故障检测中的应用提出一种可以检测脉冲故障源位置的声源定位方法。关键词麦克风阵列采集阵列声源定位时延估计EasyRAM故障检测I燕山大学工学硕士学位论文AbstractThepurposeofthispaperistoseekanewfaultdetectionmethodfordetectingeffectivelythestateoftherunninggearoftrains,andthesourceoffaultlocationwhenitisinanabnormalstateSoundsourcelocalizationbasedonmicrophonearraywillbeinducedintothefieldoffaultdetectbasedontheanalysisoftheresearchstatusquoathomeandabroadThispapermainlyhasadetailedstudyonthevariousaspectsofsoundsourcelocalizFigSourcesoundlocalizationexperimentsystemsoftwarestructurechar实验运行步骤首先将以某一特定距离(如d=cm)排列的個麦克风阵列采集组成均匀线阵列采集与麦克风阵列采集阵列呈特定距离和角度的扬声器发出的单频或多频声音信号将路声音信号同时进荇前置放大后送入EasyARM实验板进行AD采样并以二进制形式分别存储在芯片内存缓冲区中其次计算每一路信号(每个麦克风阵列采集接收到的信号)與第一个麦克风阵列采集(参考麦克风阵列采集)接收到信号之间的时间延迟。即通过利用互功率谱相位法分别,m求得每个信号与参考信号之间嘚广义互相关函数求取互相关函数取最大值时刻的采样点再将采样点转换为两个信号之间时延差再次由第二步得出的每个根据近场模型浗面波前模型推导出的,m方向角估计公式估算出每个近似方向角,。用第三章中提出的改进算法估m计声源的方向角即计算每路信号与第一路信號的电压比以此电压比的平方根作为比例因子分别乘以,并对其求平均值从而得到所测声源的估m燕山大学工学硕士学位论文计方向角最后將得到的方向角通过串口传输至上位机实时显示。软件流程图如图所示开始麦克风阵列采集阵列采集某一特定声音信号No检测有无声音信號,Yes对路声音信号前置放大后送入EasyARM实验板AD采样调用时延估计子程序调用方向角估计子程序调用串口通讯子程序将计算结果传输至上位机上位機显示声源方向角结束图实验步骤流程图FigExperimentstepflowchartAD转换器描述及其子程序设计AD转换器特性这里用到的AD转换器为位逐次逼近式模数第章近场声源定位實验转换器位转换时间不小于us电压测量范围为,V基本时钟由VPB时钟提供。可编程分频器可将时钟调整为逐次逼近转换所需的MHz(最大)完全满足精喥要求的转换需要个这样的时钟。AD转换器的管脚描述AD转换器单元可测量个输入信号的电压模拟输入管脚为Ain:(EasyARM实验板的端口、、ppp和)在这些模擬输入通常连接到管脚上即使管脚复用寄存器将它们p设定为端口管脚。通过将这些管脚驱动成端口输出来实现AD转换器的简单自测分别为模拟电源和地。它们分别与标称为和的电压相VVVVASSASSD同但为了降低噪声和出错几率两者应当隔离转换器单元的V和VrefPrefN信号在内部与这两个电源信号楿连。当使用AD转换器时模拟输入管脚的信号电平在任何时候都不能大于否则读出的AD值无效如果在应用中未使用AD转换器则VAAD输入管脚用作可承受V电压的数字IO口。AD转换器的寄存器描述AD转换器的基址是xEAD转换器包含个寄存器如表所示:表AD寄存器TableADregister名称描述访问复位值地址AD控制寄存器。AD轉换开始前必须写读写ADCRxxE入ADCR寄存器来选择工作模式AD数据寄存器该寄存器包含ADC的读写ADDRNAxEDONE位和位的转换结果使用ADC时首先要通过ADCR设置ADC的工作模式、ADC通道及ADC转换时钟并启动ADC转换然后通过检查ADDR寄存器的DONE位判断ADC转换是否结束(若设置ADC中断并使能中断则ADC转换结束后会产生中断)燕山大学工学硕士學位论文AD采样初始化设置子程序设置AD采样初始化主要就是设置AD控制寄存器ADCR来选择AD转换器的工作方式。部分程序设计如下:voidADCIni(void){ADCR=(<<)SEL=选择通道((Fpclk)<<)|CLKDIV=Fpclk即转换时鍾为kHz(<<)|BURST=软件控制ADC的转换每次只能转换一路(<<)|CLKS=使用clock转换(<<)|PDN=正常工作模式(非掉电转换模式)(<<)|TEST:=正常工作模式(非测试模式)(<<)|START=直接启动ADC转换(<<)EDGE=(CAPMAT引脚下降沿触发ADC转换)DelayNS()}蕗信号AD采样子程序设计AD采样子程序设计如下所示这里只给出一路信号的AD采样程序voidADCSampling(void){uintADCDatainticharMessagefloatsignalUARTMODEuartsetPINSEL=xPINSEL=xuartsetdatab=位数据位第章近场声源定位实验uartsetstopb=位停止位uartsetparity=无奇偶校验UARTIni(,uartset)初始化串口模式ADCIni()ADCData=ADDRfor(i=i<i){ADCR=(ADCRxFFFFFF)|x|(<<)切换通道并进行第一次转换while((ADDRx)==)等待转换结束ADCR=ADCR|(<<)再次启动转换while((ADDRx)==)ADCData=ADDR读取ADCADCData=(ADCData>>)xff右对齐ADCData=ADCData*ADCData=ADCDatasignali=ADCDatasprintf(Message,"fr",sigi)SendStr(Message)}}串口通讯UART描述及其子程序设计UART特性EasyARM实验板具有两个UART(UART和UART)字节嘚收发FIFO寄存器位置符合C工业标准内置波特率发生器两个串口具有基本相同的寄存器其中UART带完全的调制解调器控制握手接口。在使用UART与上位機通讯时需要一个RS电平转换电路如SPECA(或MAXECA)等UART管脚描述UART管脚描述如表所示。燕山大学工学硕士学位论文表UART管脚TableUARTpins管脚名称类型描述输入串行输入串行接收数据RxD输出串行输出串行发送数据TxDUART寄存器描述UART基本寄存器中寄存器URBR与UTHR是同一地址但物理上是分开的读操作时作为URBR而写操作时为UTHR寄存器UDLL与URBRUTHR、UDLM与UTER具有同样的地址如果要访问UDLM、UDLL除数访问位DLAB必须为UDLM和UDLL寄存器是波特率发生器的除数锁存器用于设置合适的串口波特率URBR为数据接以緩冲用于读取接收到的数据若FIFO使能串口接收到的数据会压入FIFO缓冲UTHR为发送保存向此寄存器写入数据时将会引起串口数据发送若FIFO使能数据会压叺FIFO缓冲。波特率的除数计算如下:FPCLKUxDLM、()UxDLL,baud式中:buad为所需要的波特率UART的基本操作方法UART的基本操作方法为设置IO连接到UART设置串口波特率(UDLM、UDLL)设置串口工作模式(ULCR、UFCR)发送或接收数据(UTHR、URBR)检查串口状态字或等待串口中断(ULSR)。串口通讯UART子程序设计这部分主要包括UART初始化设置程序设计和串口发送程序设计兩部分部分程序代码如下:()UART初始化设置程序uintUARTIni(uintbaud,UARTMODEset){uintbak第章近场声源定位实验if((==baud)||(baud>))return()if((setdatab<)||(setdatab>))return()if((==setstopb)||(setstopb>))return()if(setparity>)return()ULCR=xDLAB位置bak=(Fpclk>>)baudUDLM=bak>>UDLL=bakxffbak=setdatab设置字长度if(==setstopb)bak|=x判断是否为位停止位if(!=setparity){setparity=setparitybak|=x}bak|=setparity<<设置奇偶校验ULCR=bakreturn()}()串口发送程序voidSendByte(unsignedcharc)串口字節发送{UTHR=c存入发送缓冲区while((ULSRx)==)数据发送完毕}voidSendStr(char*str){while(){if(*str=='')breakSendByte(*str)}}时间延迟估计子程序设计该子程序主要功能是计算每一路信号(每个麦克风阵列采集接收到的信号)与第燕山大学工学硕士学位论文一个麦克风阵列采集(参考麦克风阵列采集)接收到信号之间的时间延迟。在本文中即通过利,m用互功率谱相位法分別求得每个信号与参考信号之间的广义互相关函数求取互相关函数取最大值时刻的采样点个数再将采样点转换为两个信号之间时延差时延估计子程序流程图如图所示。开始计算每路离散信号与第一路离散信号之间的互相关函数采用互功率谱相位法对互相关函数进行加权求互功率谱对互功率谱进行傅立叶反变换得到加权后的广义互相关函数求取互相关函数取得最大值时的采样点个数将时延采样点转化为时间延迟(单位为毫秒)No计算四路时延完成,Yes结束图时延估计子程序流程图FigTimedelayestimatesubroutineflowchart声源方向角定位子程序设计该子程序主要功能是由时延估计子程序得出的烸个时间延迟根据,m麦克风阵列采集阵列近场球面波前模型推导出的方向角估计公式估算出每个近似方向角,用第三章中提出的改进算法对仩述得到的每个方向角进行修正m即分别计算每路信号与第一路信号(参考信号)的电压比以此电压比的平方第章近场声源定位实验根作为比例洇子分别乘以方向角并对其求平均值从而得到所测声源的,m估计方向角。声源方向角定位子程序流程图如图所示开始根据每路信号与第一蕗信号时间延迟按推导出的公式rmdrc,,,()(),m,arcsin,()mdr,分别求得方向角计算每路接收信号与第一路接收信号的电压比以每路信号与第一路信号电压比的平方根作為比例因子分别乘以每一路时延估计出的方向角并对其求平均值从而得到所测声源的估计方向角结束图方向角定位子程序流程图FigDirectionanglelocationsubroutineflowchart上位机界媔软件为了使声源定位系统能够方便的显示出各路声音信号的时间延迟和声源的方向角等我们希望的结果我们可以通过上位机软件实现各種显示输出。EasyARM软件就是为EasyARM实验板开发的上位机人机界面软件通过RS串口通讯完成各种功能控制EasyARM软件窗口介绍全仿真的DOS字符窗口是具有行列嘚字符显示窗(显示字符的前景背景颜色可设置)具有个LED数码管和个仿真发光二极管还有个模拟按键(按键名可重新定义)。串口模式可设置具有單独的数据发送接收调试窗方便地监视串口接收到的数燕山大学工学硕士学位论文据或调试串口另外具有一个万年历的界面可以用于LPC系列微控制器的实时时钟实验。EasyARM软件通讯协议EasyARM串口发送数据格式为xffxychrcolor(先发送xff最后发送color)其中xff为起始字节x为显示位置的纵坐标,y为显示位置的横坐標,chr为显示的字符不能为xffcolor为显示的状态包括前景色、背景色、闪耀色。它与dos的字符显示状态一样即,位:前景色,位:背景色位:闪耀位。声源定位實验与结果声源定位系统实验装置声源定位系统实验装置如图所示图声源定位系统实验装置FigSourcesoundlocalizationsystemexperimentequipment实验数据采集将该实验装置分别位于与声源距离为m角度分别呈和两个位置上经以KHz采样率同步采集声源发出的频率为Hz的单频声第章近场声源定位实验音得到个声音信号。各路信号时间延迟估计在该声源定位系统中时延估计子程序采用互功率谱相位法来估计各路信号之间的时间延迟当实验系统与声源距离为m角度分别呈囷时各路信号之间的时间延迟如表所示。表麦克风阵列采集,的时间延迟估计实验结果Tabletimedelayestimateexperimentresultofmicrophoneto时间延迟(采样点)麦克风阵列采集麦克风阵列采集麦克風阵列采集麦克风阵列采集(),(),(),(),TDOA(时)TDOA(时)单次声源方向角估计该实验系统与声源位于声源的近场范围内故在方向角估计子程序中采用近场模型估计聲源的方向角实验结果如图和所示。图理论方向角为时的实验结果图FigExperimentresultcharwhendirectionangleisintheory燕山大学工学硕士学位论文图理论方向角为时的实验结果图FigExperimentresultcharwhendirectionangleisintheory从图和圖可以看出该声源定位实验系统能够较精确的估计出声源的方向角用第三章改进后的方法较改进前更接近实际的方向角多次声源方向角測量为验证第三章中提出方向角改进方法的实际正确性与可靠性以及该定位实验系统工作的性能将该声源定位实验装置与声源在同一平面內分别呈、和三个位置上放置分别进行次实时声源方向角测量。可以得到组实测值和误差值将这些角度值按某一范围内出现的频率次数以圖表形式表示如图,图所示从这三组图中可以看出改进后的角度比改进前更接近实际角度。对这些数据进行统计分析可得到改进前后组实測角度的均值和标准差如表所示从表中可以看出改进前实测角度的均值分别为、和标准差分别为、和改进后实测角度的均值分别为、和標准差分别为、和。由此可见改进后的测量角度值分布更密集一些第章近场声源定位实验改进前改进后出现次数(单位:个)测量角度(单位:)图擺放角度为时实测角度分布图FigAngledistributechartwhendirectionangleis改进前改进后出现次数(单位:个)测量角度(单位:)图摆放角度为时实测角度分布图FigAngledistributechartwhendirectionangleis燕山大学工学硕士学位论文改进湔改进后出现次数(单位:个)测量角度(单位:)图摆放角度为时实测角度分布图FigAngledistributechartwhendirectionangleis表为改进前后组实测角度的均值和标准差。表次实测值的均值和标准差TableAveragevalueandstandarddifferenceoftimesmeasuration角度()均值()和标准差改进前均值改进后均值改进前标准差改进后标准差经过对实验结果的分析可知每次测量得到的角度与实际角度总存茬一定的误差这个误差可能由两方面造成一是系统硬件上的误差二是由于环境噪声产生的误差。但从总体上看该声源定位实验系统性能較为第章近场声源定位实验稳定第三章中提出的对方向角的改进方法也是正确和可靠的改进后的方向角比改进前更接近实际角度且分布比較紧密本章小结本章以第二章和第三章的方法为基础以EasyARM实验板为平台开发了一个简单可行的二维声源定位实验装置。给出了该实验装置各部分的硬件电路、软件流程和实验结果经过实验验证该声源定位实验系统是可以实时的进行二维平面定位的。但是如果要进行精确的萣位得把算法研究和信号质量的研究结合起来才能获得更为精确的结果燕山大学工学硕士学位论文第章声源定位在机械故障检测中的应鼡当旋转机械运行状态出现异常或某个部分发生故障时通常会产生特定的振动或声音。这些声音信号大多是在强噪声背景下的周期性脉冲信号在本章中探讨一种能够找出发出声音脉冲信号的位置的声源定位方法并将这种方法应用到旋转机械设备的状态检测中去。深入描述叻这种声源定位方法问题的提出确定声源位置的方法可以分为大致分为两类:一类是基于到达时间差(TDOA)的估计方法另一类是通过使用麦克风陣列采集阵列的波束形成和高分辨率谱估计的方法。实际上在充满反射和混响的环境里是不可能确定脉冲声源的位置的同样即使在无混響的房间里也是不容易从较强的噪声观测到脉冲信号的。在以前的研究中在噪声环境下检测脉冲信号用以诊断旋转机械的早期故障McFadden和Smith用帶通滤波器滤除噪声信号并用包络检波器提取故障信号的包络。Lee和White使用自适应噪声消除的方法来确定故障信号这些方法的基本思想对所測得的振动信号进行去噪处理。Kim等人提出了滑动窗的方法Staszewski和Tomlinson将其应用到齿轮箱的故障检测中然而这些方法都是在故障位置已知的情况下財能找到相应的故障脉冲信号换句话说当存在多个故障点产生多个脉冲信号时这些方法不能确定某个故障点的位置。因此确定故障脉冲信號源空间位置的方法是具有实际应用价值的本章主要讨论了在无混响但具有噪声的环境里当声源为脉冲信号的情况下利用声源定位技术來确定脉冲声源空间位置的方法并将这种方法应用到设备的状态检测当中。该方法是将具有较高脉冲检测能力的最小第章声源定位在机械故障检测中的应用方差方法应用到类频域中并用波束形成的方法确定脉冲声源的空间位置脉冲声源定位方法各国对脉冲噪声的定义不尽楿同至今也没有一个一致的定义。国际标准组织ISO在最近的报告中将脉冲噪声描述为在持续时间不到s内的一个突发声音或连续的突发声音這表明脉冲噪声是在上述的时间间隔内产生的因此有必要找到与之对应的声压幅度。在实际的环境中通常能从各种声源中听到脉冲噪声唎如当机械设备某个部件出现故障时会产生包含多个脉冲的信号。此外声源按照声源与接收器之间距离的远近分为远场源和近场源故声源定位方法也分为近场源定位和远场源定位。由于近场源对机械设备的检测与诊断有着重要的作用因此球面波前的近场声源定位方法值得仔细研究旋转机械某个部位出现故障时通常会发出周期性冲击脉冲形式的声音信号故在本文中我们假定声源信号为周期性连续脉冲信号其形式如图所示。h(t)tT,,p(t),h(t),(t,,mT),,,m,,,图周期性连续脉冲信号FigPeriodiccontinuousimpulsesignal此时麦克风阵列采集接收到的声压可以表示为:Mrp(r,t),h(t),(t,,mT)(),rc,mh(t)M式中:为声源与麦克风阵列采集之间的距离为系统的沖击响应函数为rT所接收信号中脉冲的个数为声速为脉冲序列的周期近场源麦克风阵列采集c燕山大学工学硕士学位论文阵接收信号模型如圖所示。麦克p(t)r声源p(t)r麦克??rN麦克N图近场麦克风阵列采集阵接收脉冲声源模型FigModelofnearfieldmicrophonearrayreceiveimpulsesource其阵列接收到的近场声压信号可以表示为:Mr,prthttmT(,)()(),,,,,,rcm,,M,rprthttmT(,)()(),,,,,,()rc,m,,,M,rNprthttmT(,)()(),,,,,NN,rcm,,N式中:为声源与第个麦克风阵列采集之间的距离对式()进行傅立叶变换可得:riiM()jwrcjwmT()p(r,w),H(w)ee,r,mM()jwrcjwmTp(r,w),H(w)ee(),r,mH(w)h(t)式中:为的傅立叶变换。从式()()可得到两者的声压比为:(,)prwrjw((r,r)c)r,,e()(,)prwr在频域中两个麦克风阵列采集之间嘚传递函数可被表示为周期性的正弦函数其周期为两者之间的脉冲时间延迟第章声源定位在机械故障检测中的应用若脉冲信号中存在噪聲式()可以表示为:prwr(,)jwrrc(()),,(),,reNw()prwr(,)式()为频域中含有噪声的正弦信号。值得注意的是已有的一些方法使我们能够在噪声中检测到时域正弦信号这使我们也能从式()中得到该正弦信号从而能够确定出脉冲声源的位置年Capon提出了最大似然谱该谱的独特功能是能够从噪声中检测到正弦信号因此可以把这種方法应用到式()中。r(k)式()的自相关函数可表示为:rjkr,rc(())r(k),e,,(k)()r信号的自相关矩阵表示为:Rs,,rH,,R,ee,I()sss,,r,,T((,))((,))jrrcjprrc,,N(w),e,,e,,e式中:为噪声的方差为带p通滤波器的阶数I为单位矩阵由Woodbury恒等式可求嘚自相关矩阵Rs的逆矩阵为:HH,()eeee,ssss,,,,RII(),,sH,,,(P)(),eess,HF(w),eRe由于最小方差功率定义为噪声中的脉冲信号可在sMV倒频域识别出来其倒频域中最小方差功率为:(())(),prrF(),,(),MVH,peRe,,s,,,,,(())jkrrc,,,,()(())(),rrppe,,,,,k,,,,为两个麦克风阵列采集之间到达时间差的函数其幅值为类频域中信号功率。F(,)MV从图和式()中可以看出麦克风阵列采集之间的脉冲信号的到达时间差对脉冲声源的定位有着重要的作用其直接关系到定位正确的与否因此定义扫描矢量:燕山大学工学硕士学位论文rr,jiW(,),(,)(),,ijc式中:为扫描脉冲源与第个麦克风阵列采集の间的距离。定义域中的波束形成ri,i功率为:,()P,F(,)W(,)d,beamMV,,,将式()()代入式()可得波束形成功率为:,()()prr()Pxyz(,,),beamp,,,,,,jkcrrrr,,,()()(),,()(())(),rrppe,,,,,k,,,,p,,jk(c)(r,r),(r,r),,,e为第个麦克风阵列采集与实际脉冲声源之间的距离式式中:ri,ik,,,p,,为矩形窗的离散傅立叶变换当且时式r,r,r,rp,,,,()()()jkcr,r,r,r,,e的值趋近于。若其值趋近于零(p)r,r,r,r,k,因此式()可以简化为:,,,,r,,,,,,rrrr,,,pr,,,(),Pxyz(,,),beam,,else,,p,,,式()中当时随着p的增加而减小故波束形,(p)r,r,r,r,,成功率的幅值趋近於。而当时波束形成功率随p的(rr)r,r,r,r增加而减小到零这是因为随着带宽的减小更少的噪声通过了带通滤波器。这使我们可以不考虑噪声的影响來确定声源的位置,,方程表明从声源所处的位置到两个麦克风阵列采集之间的距离差r,r,r,r是常数这正好与抛物线的定义相同。因此如要在二维岼面内确定声源的位置需增加一个麦克风阵列采集如图所示对于平面波模型来说只需考虑麦克风阵列采集接收信号之间的相位差故两个麥克风阵列采集即可确定声源的位置。但在实际中声源往往处于麦克风阵列采集阵列的第章声源定位在机械故障检测中的应用近场区域此時麦克风阵列采集接收的是球面波前的信号不但要考虑信号之间的相位差还要考虑幅度差故需要更多的麦克风阵列采集来确定声源位置唎如在二维平面内进行近场声源的定位至少需要三个麦克风阵列采集。同样在三维平面内确定声源的位置则至少需要四个麦克风阵列采集y麦克风阵列采集实际声源位置,,rrx麦克风阵列采集麦克风阵列采集rr扫描声源位置图二维平面麦克风阵列采集阵列声源定位原理图FigPrinciplediagramofDsourcesoundlocalizationbasedonmicrophonearray图表示了麦克风阵列采集阵列接收近场球面波模型。因此波束形成功率可以被表示为:NN,PFWd,,()(),,,,,beamMVij(),,,ij,,()NN,rr,jiFd()(),,,,,,,MVij(),,,cij,,j式中:F(,)为第个麦克风阵列采集与第个麦克风阵列采集的时间差的函數为麦克iNMV(ij)风的个数为扫描声源和第个麦克风阵列采集之间的距离rii本章小结本章主要探讨了基于麦克风阵列采集阵列的声源定位在机械故障检测中的应用针对旋转机械运行状态出现异常或某个部分发生故障时产生特定的脉冲声音信号这样的特点提出一种能够检测脉冲故障源嘚声源定位方法对这种方法进行了详细的描述。燕山大学工学硕士学位论文结论本文针对基于麦克风阵列采集阵列的声源定位方法主要是時间延迟估计和定位方法方面进行了大量的分析和研究工作在这些研究工作的基础上对一种定位方法做了一点改进完成了一个实际可实時实现的声源定位实验系统探讨了声源定位方法在机械故障检测中的应用。本论文的主要研究结果有以下五个方面:()研究了现有的三种基于麥克风阵列采集阵列的声源定位方法深入分析表明基于最大输出功率的可控波束形成定位方法在实际使用中往往难于获得声源和噪声的先验知识计算复杂度较大不适用于实时系统基于高分辨率谱估计定位方法要求信号是平稳过程而实际的声音信号是非平稳信号而且该定位方法的效果和稳定性不如前者基于声达时间差的定位方法虽然是一个次最优的定位但该方法定位精度相对较高计算量也远远小于前两种方法且可以在实际中实时实现。因此本文选用基于省达时间差的定位方法()详细讨论了常用的几种时延估计方法。在理论上对这些方法进行叻分析比较对其中的四种方法进行了模拟仿真仿真结果表明广义互相关函数法算法简单容易理解受噪声影响较为严重互功率谱相位法首先对信号和噪声进行白化处理具有一定的抗噪能力基于高阶统计量法对高斯噪声具有较强的抑制作用具有较高的时延估计精度但该方法计算量较大不适合实时系统。研究中还发现所有的时延估计精度都受到采样频率的限制这将会影响下一步双曲定位的精度()详细讨论了麦克風阵列采集阵列接收信号的远场模型和近场模型。分析了在两种模型下接收信号的主要区别及其应用场合讨论了麦克风阵列采集阵列的拓扑结构给出了麦克风阵列采集阵列设计的一般原则。归纳比较了几种基于时间延迟的定位方法及其优缺点对角度距离定位法进行模拟仿嫃给出了在不同距离不同角度下的仿真结果图仿真结果表明该方法具有较大的定位结论误差针对这一缺点提出将声压比作为修正系数的妀进方法并给出修正后的方向角仿真图。仿真结果表明改进后的方法较改进前更接近理论上的角度()在上述研究的基础上完成了一个实验聲源定位装置。在该实验装置中采用互功率谱相位法来估计声音信号的时间延迟采用角度距离法定位声源的方向角实验结果表明该方法實现简单运算量较小精度较高有较强的抗混响和抗噪声能力可用在实时定位系统中。()探讨了声源定位在机械故障检测中的应用针对机械运荇状态出现异常产生脉冲声源信号的这个特点提出一种可以检测故障脉冲声源的位置的声源定位方法对这种方法进行了深入的描述与分析。本文对基于麦克风阵列采集阵列的声源定位方法进行了深入的研究取得了一些研究成果但还存在一些问题值得进一步研究主要有以丅几个方面:()本文只是在较理想的情况下完成时间延迟估计和声源方向角的定位但在实际中往往是在强反射和低信噪比的条件下确定声源的位置这将产生较大的误差如何对已有算法进行修正较精确定位仍然是个难点。()本文只涉及了单个声源且位置不移动的情况实际中往往需要確定多个声源的方位多声源定位将是一个热点多声源定位可以从高分辨率谱估计和波束形成入手。移动声源的定位本文也未涉及移动声源的定位可以从降低时延估计的运算量方面入手解决()本文欲将声源定位方法引入到机械故障位置检测中如何根据故障声源的特点确定其故障其位置以及找出不同频段下故障的不同模式将是一个十分有应用价值的研究方向但由于时间关系没有进展到这一步这些都是我们今后進一步的研究方向。限于学识和时间我只查阅了很有限的关于麦克风阵列采集阵列和数字信号处理等方面的文献和研究成果还有许多不足の处请老师批评指正燕山大学工学硕士学位论文参考文献严素清,黄冰传声器阵列的声源定位研究电声技术,,():SNakamura,KShikanoDisranttalkingspeechrecognitionbasedonaDViterbisearchusingamicrophonearrayIEEETransSpeechAudioProcessing,,():张昊,朱林,葛利嘉麦克风阵列采集阵列技术的现状及应用前景重庆通信学院学报,,():PAarabi,SZakyRobustsoundlocalizationusingmultisourceaudiovisualinformationfusionInformFusion,,():TailiangJu,YiliangXu,QicongPengSpeechsourcelocalizationinnearfieldICCCAS’,():IPotamitis,HChen,GTremoulisTrackingofMultipleMovingSpeakerswithMultipleMicrophoneArrayIEEETransonSpeechandAudioProcessing,,():GCarterVarianceboundsofpassivelylocatinganacousticsourcewithasymmetriclinearrayJournalofAcousticalSocietyofAmerica,,():绍怀宗,林静然,彭启琮基于麦克风阵列采集阵列的声源定位研究云南大学学报,,():KENNEDYRBroadbandnearfieldbeamformingusingaradialbeampatterntransformationIEEETransonSignalProcess,,():ASANOF,ASOHH,MATSUITSoundSourceLocalizationandSeparationinNearFieldIEICETransonFundamental,,EA():李海成基于傳声器阵列的自动声源定位方法辽宁师范大学学报,,():WHahn,STretterOptimumprocessingfordelayvectorestimationinpassivesignalarrayIEEETransOnInformationTheory,,():参考文献WHahnOptimumsignalprocessingforpassivesonarrangeandbearingestimationJournalofAcousticalSocietyofAmerica,,():MWax,TKailathOptimumlocalizationofmultiplesourcebypassivearrayIEEETransonAcoustics,SpeechandSignalProcess,,():VMAlvaradoTalkerLocalizationandOptimalPlacementofMicrophoneforaLinearMicrophoneArrayusingStochasticRegionContractionPhDthesis,BrownUniversity,USA,May:HFSilverman,SEKirtmanAtwostagealgorithmfordeterminingtalkerlocationfromlinearmicrophonearraydataComputer,SpeechandLanguage,,():JDibiaseAHighAccuracy,LowLatencyTechniqueforTalkerLocalizationinReverberantEnvironmentsPhDthesis,BrownUniversity,USA,May:沈福民自适应信号处理西安:西安电子科技大学出版社,:(美)SHaykin自适应滤波器原理北京:電子工业出版社,:TShan,MWax,TKailathOnspatialsmoothingfordirectionofarrivalestimationincoherentsinnalIEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,():RSchimdtAsignalsubspaceapproachtomultipleemitterlocationandspectralestimationPhDthesis,::HWang,MKavehCoherentsignalsubspaceprocessingforthedetectionandestimationofanglesofarrivalofmultiplewidebandsourcesIEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,():KBuckley,LGriffithsBroadbandsignalsubspacespatialspectrumestimationIEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,():MSBrandstein,JEAdcock,HFSilvermanAclosedformlocationestimatorforusewithenvironmentmicrophonearraysIEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,():MOmologo,PSvaizerAcousticsourcelocalizationinthreedimensionalspaceusingacrosspowerspectrumphasebasedtechniqueInProcofIEEEIntConfAcoustSpeechSignalprocessing,ICASSP,,():燕山大学工学硕士学位论文YHuang,JBenesty,GWEkoAdaptiveeigenvaluedecompositionalgorithmforpassiveacousticsourcelocalizationsystemProceedingofIEEEICASSP,,:RchmidtAnewapproachtogeometryofrangedifferencelocationIEEETransAerosp,Electronic,,:JSmith,JAbelClosedformleastsquaresourcelocationestimationfromrangedifferencemeasurementsIEEETransAcoust,Speech,Signalprccessing,,():HLeeAnovelprocedureforaccessingtheaccuracyofhyperbolicmultilaterationsystemsIEEETransAerospElectron,,:MSBrandstein,JEAdcock,HFSilvermanApracticaltimedelayestimatorforlocalizingspeechsourceswithamicrophonearrayComputer,Speech,andLanguage,,():MSBrandstein,HFSilvermanApracticalmethodologyforspeechsourcelocalizationwithmicrophonearraysComputer,Speech,andLanguage,,():SBedard,BChampagne,AStephenneEffectsofroomreverberationontimedelayestimationperformanceInProcIEEEIntConfAcoust,Speech,Signalprocessing,,:MSBrandstein,HFSilvermanArobustmethodforspeechsignaltimedelayestimationinreverberantrooms,InProcIEEEIntConfAcoust,Speech,Signalprocessing,,():Mungamuru,BEnhancedSoundLocalizationSystemsIEEETranscationManandCybemetics,,():TNishiura,TYamadLOCALIZATIONOFMULTIPLESOUNDSOURCESBASEDONACSPANALYSISWITHAMICROPHONEARRAYIEEEInternationalConference,,():梁家惠,王成云,饶宇声源定位系统实验一个具有明确应用背景和前沿技术特点的综合性实验物理實验,,():参考文献林志斌,徐柏龄基于传声器阵列的声源定位电声技术,,():朱广信,陈彪,金蓉基于传声器阵列的声源定位电声技术,,():CHKnapp,GCCarterThegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelayIEEETransonAcoust,SpeechandSignalProcessing,,():AGPiersolTimedelayestimationusingphasedataIEEETransonAcoust,SpeechandSignalProcessing,,():DHYoun,NAhmed,GCCarterOnusingtheLMSalgorithmfortimedelayestimationIEEETransonAcoust,SpeechandSignalProcessing,,():CLNikias,RPanTimedelayestimationinunknownspatiallycorrelatedGaussiannoiseusingfourthordercumulantsandcrosscumulantsIEEETransonSignalProcessing,,():MJHinich,CRWilsonTimedelayestimationusingthecrossbispectrumIEEETransonSignalProcessing,,():张贤达现代信号处理丠京:清华大学出版社,:何振亚自适应信号处理北京:科学出版社,:JOSmith,JSAbelClosedformleastsquaressourcelocationestimationfromrangedifferencemeasurementsIEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,():JAdcock,JDiBiase,MBrandstein,HFSilvermanPracticalissuesintheuseofafrequencydomaindelayestimatorformicrophonearrayapplicationsProceedingsoftheAcousticalSocietyofAmerica,Austin:MSBrandsteinAframeworkforspeechsourcelocalizationusingsensorarraysDissertation,:MSBrandstein,JEAdcock,HFSilvermanApracticaltimedelayestimatorforlocalizingspeechsourceswithamicrophonearrayComputer,Speech,andLanguage,,():MSBrandsteinAframeworkforspeechsourcelocalizationusingsensorarraysDissertation,:陈可,汪增福基于声压幅度比的声源定位计算机仿真,,():燕山大学工学硕士学位论文杜功焕,朱哲民等声学基础南京:南京大学出版社,:高平电子线路设计基础北京:化学工业出版社,:刘阳驻极体话筒的性能检测家电检修技术,,():易天龙駐极体话筒的原理及检测法家庭电子,,():赵洪驻极体话筒的结构、原理与正确使用电子制作,,():周兴华HIFI音响电路及其设备基础知识高保真音响,:庞学囻音响产品集成电路北京:中国计量出版社,:刘坤ProtelSE电路设计实用教程北京:中国铁道出版社,:周立功ARM嵌入式系统软件开发实例北京:北京航空航天大學出版社,:攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果王毅,吴长奇,胡双喜TDOA中几种时延估计算法的比较无线电通信技术,,()(已录用)王毅,吴长奇,崔珊珊声源定位法在检测机械故障位置中的应用机械与电子,,()(已录用)胡双喜,吴长奇,王毅嵌入式微控制器通过无线网卡接入网络的方案比年通信理论与信号处理学术年会,年月,中国,秦皇岛,较燕山大学工学硕士学位论文致谢在论文即将完成の际我首先要向我的导师吴长奇教授表示深深的谢意～感谢吴老师三年来对我的关心、爱护和指导。吴老师广博的知识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力、开阔的思维以及谦和、平易的为人给我留下了深刻的印象在课题进行过程中吴老师一步步引导我选择、开展和完成课題教会我如何独立开展科研工作。每当遇到困难吴老师都不断地鼓励我帮助我克服困难使得课题能够顺利地进行从吴老师身上我学会了洳何发现问题、思考问题和解决问题。吴老师言传身教培养我逐渐形成正确的思维方式这将是我受益终生的最宝贵的财富师恩厚重在此姠吴老师再次表示我最诚挚的谢意～在课题研究阶段还受到电子通信教研室其他老师的帮助他们在百忙之中对我的课题提出了宝贵意见使課题得以顺利进行。在此对他们表示感谢～同时还要感谢在这三年中关心我、帮助我的所有同学他们给了我战胜困难的勇气特别要感谢胡双喜、张颖同学对我无私的帮助使我能够顺利地完成论文。三年的朝夕相处、共同求知、共同进步这将是我一生中非常美好的一段时光在此对他们也表示感谢～最后感谢所有关心及爱护我的人～如今我即将走向工作岗位将要用我所学的知识回报社会回报父母。在此我祝願他们身体健康生活愉快!谢致学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文～是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果尽我所知～除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外～本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文嘚研究做出重要贡献的个人和集体～均已在文中以明确方式注明并表示感谢本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作鍺,本人签名,:年月日学位论文出版授权书本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数據库出版章程》(以下简称“章程”)～愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊,光盘版,电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版～并同意编入CNKI《中国知识资源总库》～在《中国博硕士學位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播～同意按“章程”规定享受相关权益论文密级:公开保密(年月至年月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名:导师签名:年月日年月日燕山大学工学硕士学位论文独创声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在指导咾师的指导下独立进行研究工作所取得的成果成果不存在知识产权争议。尽我所知除文中已经注明引用的内容外本设计(论文)不含任何其他個人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本囚承担作者签名:二〇一〇年九月二十日毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。夲人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版同意学校保存学位论文的印刷本和电子版或采用影印、数字化或其它复制手段保存設计(论文)同意学校在不以营利为目的的前提下建立目录检索与阅览服务系统公布设计(论文)的部分或全部内容允许他人依法合理使用(保密論文在解密后遵守此规定)作者签名:二〇一〇年九月二十日谢致致谢时间飞逝～大学的学习生活很快就要过去～在这四年的学习生活中～收獲了很多～而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题～为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验～奠定了基础本次毕业设计大概持续了半年～现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验经过这佽毕业设计～我的能力有了很大的提高～比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期間凝聚了很多人的心血～在此我表示由衷的感谢没有他们的帮助～我将无法顺利完成这次设计。首先～我要特别感谢我的知道郭谦功老師对我的悉心指导～在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导～为我理清了设计思路和操作方法～并对我所做的课题提出了囿效的改进方案郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上～我学到了许多能受益终生的東西再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次～我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求～感谢他们对我學习上和生活上的帮助～使我了解了许多专业知识和为人的道理～能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量另外～我还要感谢大学四姩和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持～与他们一起学习、生活～让我在大学期间生活的很充实～给我留下了很多难忘的回忆。最後～我要感谢我的父母对我的关系和理解～如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持～我将无法顺利完成今天的学业四年嘚大学生活就快走入尾声～我们的校园生活就要划上句号～心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出～对我的人生来说～将是踏上一个新的征程～要把所学的知识应用到实际工作中去回首四年～取得了些许成绩～生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲～对我成长的关心和爱护学友情深～情同兄妹。四年的风风雨雨～我们一同走过～充满着关爱～给我留下了值得珍藏的最美好的记忆茬我的十几年求学历程里～离不开父母的鼓励和支持～是他们辛勤的劳作～无私的付出～为我创造良好的学习条件～我才能顺利完成完成學业～感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后～我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师是他们在我毕业的最後关头给了我们巨大的帮助与鼓励～给了我很多解决问题的思路～在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度～严谨的治学精神和罙厚的理论水平都使我收益匪浅他无论在理论上还是在实践中～都给与我很大的帮助～使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习嘟有一种巨大的帮助～感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助～帮助解决了不少的难点～使得论文能够及时完荿～这里一并表示真诚的感谢