基于麦克风阵列的声源定位技术毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于麦克风阵列的声源定位技术毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

声能 密 度 声能密度是指在传播媒质中，媒质单位体积内所包含的声能。 在平面波声场中，声能密度可表示为 : 22rmsPD c ()式中 rmsP —— 有效声压；  —— 空气 度； c —— 空气中声波传播速度，即声速； 毕业设计说明书 第 8 页 共 38 页 (4) 声学量的级 在声学中，直接使用声压、声强和声功率是极不方便的，为此，引入了 “ 级” 的概念，来表示声音的强弱。 声学量的级就是指某个声学量与其同类基准值之比的对数。 基准值是用来规定声学量级中的零分贝值。 级的类别用名称表示有声压级、声强级和声功率级等 [7]。 通常所使用的级的单位是分贝，符号表示为 dB。 声压级的数学表达式为： 220xx 0 lg 2 0 lgpL P P P P () 声强级的数学表达式为： 010lgIL I I () 声功率级的数学表达式为： 010 lgWL W W () 上述表达式中 0P 、 0I 、 0W 分别表示基准声压、基准声强和基准声功率，其中 0I 和 0W 的值分别为： 12 20 10I W m 和 120 10WW ； 声波在空气中的传播特性 声波在空气中传播时，其形状可根据波阵面的形状来划分，主要有平面波和球面波。 波阵面为平面的波称为平面波，并且此波阵面具有与声传播方向的垂直平面相平行的特征；在不考虑介质吸收波能量的情况下，即在理想媒质中，声压不随着声源距离的变化而变化，即此时的声压为恒量。 球面波则是波阵面为同心球面的声波；球面波在介 质中传播时，球面波的声强与距声源距离的平方成反比，也就是说声压与传播距离成反比；在理想媒质中，声压与球面声波的半径成反比。 声波在媒质中传播时，其振幅随传播距离的增大而减小的现象，就称为声波的衰减。 声波在空气中传播时，声波的传播方向会由于大气温度梯度和传播速度梯度的存在而发生变化，同时大气的扰动会导致声波发生崎变，以及空气的粘滞性造成声能的吸收等，这些都造成了声波在空气中传播时发生衰减，此衰减与空气的温度、湿度和声波的频率等有关 [8]。 除这些原因外，声波在传播媒质中的悬浮粒子上发生的散射，也是形成衰减的重要原 因。 对于声波衰减现象可用数学表达式表示为：当声波传播一段较小的距离办后，振幅的减小量与原来的振幅成正比，也与这段距离成正比，即 毕业设计说明书 第 9 页 共 38 页  mmd dx      ()当 x=0时， 0mm ，因此有 0 xmme   () 式中  —— 媒质对声波的衰减系数，由两部分组成，即吸收衰减系数和散射衰减系数；其单位为：奈培 .米 1 在均匀介质中，对于被动声设备其接收点信号强度的衰减可表示为 ：   0 2 10 rHIIr r  () 式中 0I 、 HI —— 分别为接收点和发射点的信号强度； r —— 收发间距（或是带有接收换能器的声源装置与目标间的距离）；  —— 吸收系数； 由于介质往往是不均匀的，因此对上式进行修正 ：     2 10 rHII r A rr    () 式中  —— 空间衰减系数 ； Ar—— 异常值，即：在相同距 离上，不均匀介质中信号强度与均匀介质中的信号强度之比；其不是距离的单调函数； 声源定位原理 声源定位技术是利用声学与电子装置接收目标声场信息以确定目标声源位置的一种技术。 被动声目标定位就是指传声器工作在被动状态方式下，利用目标发射出的噪声信号对目标位置进行估测。 如何布设性能优良、结构简单合理的传声器阵列是被动声目标定位和跟踪系统中的关键技术之一；通常传声器阵列布设的结构可以分为线型阵列、平面阵列和立体阵列等。 对线型阵列来说，它只能对以阵列所在直线为界的半个平面进行目标定位，确定目标的二维参量，否则 无唯一解；并且当目标位于线型阵列的端射方向时，线型阵列将失去测距的能力；平面阵列不仅可以对整个平面进行目标定位，同时也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位，确定目标的三维参量；立体阵列则可以对整个空间进行定位，但其定位算 法比较复杂。 毕业设计说明书 第 10 页 共 38 页 被动声目标定位算法按照测量依据来分主要有两种 :一种是基于时延估计 (信号到达不同传声器间的时间差 )的目标参数估计测量法，而另一种则是基于瞬时频率估计的参数估计测量方法 [9]；由于前者具有较高的测向、测距精度，并有较强的抗干扰性能，是目前被动声测系统中广泛釆用的方法。 若按照传 声器阵列的排布方式，有直线定位法、平面三角定位法、平面圆形定位法、平面正方形定位法和球面三角形定位法等。 本章小结 本 章主要概述了声学理论的基础知识及声波的物理传播特性，并简述了声源定位原理，列举了声源定位的两种方法及几种类型，继而为后面研究时延估计的声源定位技术打好基础。 毕业设计说明书 第 11 页 共 38 页 3 基于时延估计的 声源定位算法及其精度分析 时延估计算法概述 所谓时延，就是指具有同一计时起点的两传声器所接收到的信号到达时刻差，即两信号间的时间延迟。 由此可见，由 N 个传声器组成的阵列可以获得 N1 个相互独立的时间延迟值；根据目标位置的自由度，可知要确定平面目标位置至少需要 3个传声器，即2 个时延值；而确定空间中的目标位置则至少需要 4 个传声器， 即 3个时延值；但由于受到区域条件、阵列设计方法等的限制，传声器阵列中传声器元件的个数不宜过多。 利用声信号到达传声器间的时间差 (时延值 )进行目标定位的基本原理见表达式所示：       2 2 22 2 2x x y y z z x x y y z z ci i i j j j i j                            式中  ,x y z — 一代表目标信号的位置坐标；  ,x y zi i i ， ,x y zj j j—— 代表阵列中传声器 i 和传声器 j 的位置坐标； c —— 声波在媒质中的传播速度； ij —— 表示声波传播到传声器 i 和传声器 j 之间的时间差，即时延值。 基于时延估计的声源定位的研究分析 声传感器阵列的设计在直升机被动声定位中具有十分重要的意义。 采用的传声器阵列可分 为线阵、面阵和立体阵。 对于固定式阵列，线阵只能对以阵列所在直线为界的半个平面进行定位，否则解不唯一。 立体阵可以对整个空间进行定位，但其算法要复杂的多。 面阵可以在整个平面对目标进行定位，也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。 由于定位系统布设于地面，目标为低空或超低空飞行的武装直升机，因此采用面阵是可行的。 由 N 个声传感器阵元组成的阵列，可以得到 N1个独立的时延，空中的直升机对于被动声定位系统来说可以看成点目标，有三个自由度。 因此，要对目标进行定位，至少需要四个阵元组成的声传感器阵列。 由于十字形阵具有分维 特性，且阵列冗余度较小，因此，十字阵是较为合适的阵形 [10]。 本章推导了四元十字阵的目标定位方程以及五元十字阵的定位算法。 毕业设计说明书 第 12 页 共 38 页 四元阵列定位算法 如图 所示， 十 字形声传感器阵列，由两个相互正交的线阵 S S3 和 S S4 组成。 线阵的阵元间距为 D，以两线阵的交点为坐标原点，建立如图 所示的直角坐标系和球坐标系。 四阵元的直角坐标分别为： S1(D/2,0,0), S3(D/2,0,0), S2(0,D/2,0), S4(0,D/2,0),设目标声源 T的直角坐标为 (x,y,z),球坐标为 (r,  , )。 即目标 T到坐标原点的距离为 r,方位角为  ，俯仰角为 。 图 四元十字阵定位示意图 当目标声源 T离阵 中心的距离比阵元间距大的多时，可以假设目标 T为点声源， 并以球面波形式进行传播。 设声源到达阵元 S1 的传播时间为 t1，到达阵元 S2,S3,S4 与相对于到达阵元 S1 的时间延迟 (以下简称时延 )分别为 12 , 13 , 14 ,则声源传播到 S SS4 与传播到 S1 的声程差分别为 12d ， 13d ， 14d ： 12 1213 1314 14dcdc ()式中， C 为空气速度， C=340m/s. 设目标声源 T 与阵元 S1 的距离为 r1,则： 11r ct ()目标声源 T以球面波进行传播，所以阵元 S S S S4 分别位于 以 T为 球心以 rr1 十 12d 、 r1+ 13d ,r1+ 14d 为半径的四个球面上 ,因而可联立列出方程组 如下： 毕业设计说明书 第 13 页 共 38 页 2 2 2 22 2 2 212 2 2 21 122 2 2 21 132 2 2 21 141( / 2) 2( / 2) ( ) 3( / 2) ( ) 4( / 2) ( ) 5x y z rx D y z rx y D z r dx D y z r dx y D z r d                     ()测量时延 12 、 13 、 14 ， 即可知程差 12d 、 13d 、 14d ，再通过解方程组 (), 可得目标的位置坐标 （ x,y,z）。 下面推导目标的球坐标 (r,  , )与时延 12 、 13 和 14 的关系。 将〈 3〉、〈 4〉、〈 5〉式分别与〈 2〉式相减，得：     2 2 212 14 13113 12 14213 1 132214 12 1 14 1222222d d drd d dd r dxDd d r d dyD       ()如图 所示，直角坐标系下目标声源 T 的位置坐标 (x,y,z)与球坐标系下的位置坐标 (r,  , )的关系式为： sin cossin sincosxryrzr ()式中， 0 90   ,0 360  。 由（ ）式，可解得由直角坐标 （ x,y,z） 表示的方位角  ，俯仰角  以及目标声源T 距阵中心的距离 r。    2214 12 1 14 12 14 12 1314 12213 1 13 13 1 132ta n 122d d r d d d d dddyx d r d d r d        由于 11ird， i =2,3,，上式可以简化为： 毕业设计说明书 第 14 页 共 38 页 14 1213tanddd  () 14 1213ta n dda d   ()〈 2〉式减去〈 1〉式，得： 2222 2 2 131 1 13 14 2 4dDDr r Dx r d r       ()     222 2 222 1 3 1。