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1、对麦克风的原理研究毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 课题的研究现状21.2.1 基于麦克风阵列的声源定位方法21.2.2 基于麦克风阵列声源定位系统的应用51.3 论文主要研究容61.4 论文结构安排7第2章 时间延迟估计原理与方法82.1 时间延迟估计的原理82.1.1 时间延迟估计的基本问题82.1.2 时间延迟估计的基本模型92.2 时间延迟估计的方法112.2.1 基本相关法112.2.2 广义互相关法122.2.3 互功率谱相位法142.2.4 自适应法162.2.5 高阶累积量法192.2.6 各种时延估计方法的分类与性能
2、分析222.3 模拟仿真232.4 本章小结27第3章 基于时间延迟的定位方法283.1 麦克风阵列信号模型283.1.1 窄带阵列信号处理模型283.1.2 麦克风阵列近场信号模型303.1.3 麦克风阵列远场信号模型323.1.4 信号模型的主要差异及应用场合333.2 麦克风阵列的拓扑结构343.2.1 麦克风阵元间距343.2.2 麦克风阵元个数343.2.3 麦克风种类353.2.4 麦克风阵列结构选择353.2.5 麦克风阵列结构性能评价373.3 基于时间延迟的定位方法373.3.1 角度距离定位法373.3.2 球形插值法383.3.3 线性插值法403.4 声源方向角估计的模
3、拟仿真413.4.1 仿真条件与结果413.4.2 算法改进433.5 本章小结45第4章 近场声源定位实验464.1 声源定位系统硬件结构设计464.2 声源定位系统实现原理474.3 各硬件单元介绍474.3.1 声源及其特性474.3.2 麦克风及其工作原理484.3.3 前置放大电路514.3.4 EasyARM2119实验板简介524.4 声源定位系统软件结构534.4.1 实验运行步骤534.4.2 A/D转换器描述及其子程序设计544.4.3 串口通讯UART描述及其子程序设计574.4.4 时间延迟估计子程序设计594.4.5 声源方向角定位子程序设计604.4.6 上位机界面
4、软件614.5 声源定位实验与结果624.5.1 声源定位系统实验装置624.5.2 实验数据采集624.5.3 各路信号时间延迟估计634.5.4 单次声源方向角估计634.5.5 多次声源方向角测量644.6 本章小结67第5章 声源定位在机械故障检测中的应用685.1 问题的提出685.2 脉冲声源定位方法695.3 本章小结73结论74参考文献76攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果81致谢82作者简介83 .专业.专注. 第1章 绪论1.1 课题的研究背景和意义20世纪80年代以来，传声器阵列信号处理技术得到迅猛的发展，并在雷达、声纳及通信中得到广泛的应用。这种阵列信号处理的思想
5、后来应用到语音信号处理中。在1985年Flanagan将麦克风阵列引入到大型会议的语音增强应用中，并开发出多种实际产品。之后，Silverman和Brand stein将其应用于语音识别和声源定位中。进入90年代以来，基于麦克风阵列的语音处理算法正逐渐成为一个新的研究热点1。现有的麦克风阵列系统已经有了很多的应用，这些应用包括语音识别2、强噪声环境下的语音获取、大型场所的会议记录3,4、声音检测和助听装置5等。特别是将麦克风阵列应用在视频会议中，用于确定和实时跟踪说话人的位置6,7。基于麦克风阵列的声源定位处理与传统的阵列信号处理相比，主要存在如下问题8：(1)传统的阵列信号处理处理的信号一般
6、是有一个调制载波的窄带信号，如通信信号和雷达信号等，此时阵列接收信号的相位差由载波中心频率和阵列结构决定。而麦克风阵列处理中，接收信号是没有经过调制的基带信号，阵列接收信号的相位差由信号源的特性和阵列结构决定。麦克风阵列接收的信号频率常常在1004000Hz之间，中心频率随声源的变化而变化。因此麦克风阵列处理时一个复杂的宽带系统。(2)传统的阵列处理一般采用远场模型，而麦克风阵列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麦克风阵列各阵元接收信号的幅度差别。(3)传统的阵列处理技术一般处理的信号为平稳或准平稳信号，而麦克风阵列处理的信号通常为非平
7、稳声音信号； (4)在传统的阵列处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关、在麦克风阵列处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声(如室的空调风机的噪声，打字机发出的干扰噪声，碎纸机的声音，突然出现的铃声等)，这些噪声可能和信源无关，也有可能相关。基于上述阵列处理不同和区别，因此给麦克风阵列信号处理带来极大的挑战，实际中的声源多位于麦克风阵列的近场9,10围，因此用于远场定位的算法和模型必须进行改进后才能使用。声音给人们带来了方便，丰富了人们的生活。而对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明，声源定位系统是一个很有意义的研究课题。1.2 课题的研究现状1.2.1 基于
8、麦克风阵列的声源定位方法基于麦克风阵列的定位问题简而言之就是利用一组按一定几何位置摆放的麦克风定出声源的空间位置11。现有的基于麦克风阵列声源定位方法主要分为三类：第一类是基于最大输出功率的可控波束形成技术，它是对传声器阵列接收到的信号进行滤波及加权求和，然后直接控制传声器阵列的波束，使其指向有最大的输出功率的方向；第二类是基于高分辨率谱估计技术，通过求解麦克风阵列接收信号之间的相关矩阵来定出声源方向；第三类是基于声波到达时间差技术，该方法首先求出声源信号到达空间不同位置麦克风的时间差，再利用该时间差求得声源信号到达不同位置麦克风的距离差，最后用搜索或几何知识确定声源方向。1.2.1.1 基于
9、最大输出功率的可控波束形成的定位方法 基于可控波束的定位算法，是早期的一种定位方法。该方法的基本思想是采用波束形成技术，调节麦克风阵列的接收方向，在整个接收空间扫描，能量最大的方位为声源的方位。采用不同的波束形成器可得到不同的算法。该方法在满足最大似然准则的前提下，以搜索的方式，使麦克风阵列所形成的波束对准信号源，从而获得最大输出功率。即对麦克风所接收到的声源信号进行滤波，并加权求和来形成波束，进而通过搜索声源可能的位置来引导该波束，波束输出功率最大的点就是声源的位置。基于可控波束形成的定位算法，主要分为延迟累加波束算法和自适应波束算法。前者运算量较小，信号失真小，但抗噪性能差，需要较多的阵元
10、才有比较好的效果。后者因为加了自适应滤波，所以运算量比较大，而且输出信号又一定程度的失真，但需要的麦克风数目相对较少，在没有混响时有比较好的效果。在文献12中最早提出该方法的理论基础，在文献13中进一步得出可控定位的理论和实际的方差，并在文献14中将该方法应用于多声源的定位。其原理框图如图1-1所示。图1-1 可控波束形成器原理框图Fig. 1-1 Controllable beam former principle diagram可控波束形成技术本质上一种最大似然估计，它需要声源信号和环境噪声的频谱特性的先验知识。而在实际使用中，这种先验知识往往很难获得。此外，最大似然估计是一个非线性优化问
11、题，这类目标函数往往有多个极点，且该方法对初始点的选取也很敏感，因此使用传统的梯度下降算法往往容易陷于局部极小点从而不能找到全局最有点。如果采用别的搜索方法，若要力求找到全局最优点，就会极大地增加计算复杂度，从而不可能被用于实时处理系统1517。1.2.1.2 基于高分辨率谱估计的定位方法 该方法来源于一些现代高分辨率谱估计技术(如AR模型，MV谱估计，MUSIC算法，特征值分解等18,19)。虽然该方法成功地应用于一些阵列信号处理的应用，但在声源定位中的效果并不佳，其原因有以下原因：该方法需要通过时间平均来估计各麦克风信号之间的相关矩阵，这就需要信号是平稳的，且估计的参数是固定不变的。而声音
12、信号是一个短时平稳过程，它往往不能满足这个条件，因此该方法效果和稳定性不如可控波束形成法。此外，该方法往往假设理想的信号源、相同特性的麦克风等这些在实际中不可行的条件。虽然可以通过某些方法减弱这些因素的影响，但这往往需要成倍的增加运算量20。由于房间的混响作用，使信号和噪声有一定的相关性，这也会降低该方法的有效性。该方法还需假定声源离麦克风的距离比较远，且麦克风是一个线性阵列，这样声波可近似看成平面波。而这对需近距离定位的系统是不可行的21。高精度谱估计技术往往针对窄带信号，而声源信号往往是宽带信号，这也需要以增加运算量为代价来提高定位精度22,23。1.2.1.3 基于声波到达时间差(TDO
13、A)的定位方法 基于声波到达时间差定位方法在导航系统、声纳系统等领域都有广泛的应用。该方法主要是估计各麦克风间的相对时间延迟，适合于单个声源的定位。由于每个麦克风时延唯一对应一个双曲面，因此多个麦克风对就可以确定多个双曲面。双曲面之间的交集从某种意义上就是声源的次最优估计。基于此原理产生许多定位方法，各有自己的优缺点2430。由已获得的一组麦克风时延值，大体上可以有两种方法确定声源的位置。其一，用已获得的时延求得一个目标函数，通过搜索的方法来确定声源的位置；其二，用次最优的方法通过几何插值的方法估计出声源的位置。基于声达时间差的定位方法在运算量上远远小于可控波束形成和谱估计法，可以在实际中实时
14、实现。但是该方法也有不足之处，其一是估计时延和定位分成两个阶段来完成，因此在定位阶段用的参数已经是对过去时间的估计，这在某种意义上只是对声源位置的次最优估计；其二是时延定位的方法比较适合于单声源的定位，而对多声源的定位效果不好；其三，在房间有较强混响和噪声的情况下，往往很难获得精确的时间延迟，从而导致第二步的定位产生很大的误差3133。虽然如此，由于声达时间差定位方法的运算量比较低，而且在适当改进后，在一定的噪声和混响下有比较好的定位精度，因此适合于在实际中实时应用。本文主要应用这种方法进行声源方向的定位。此方法的定位原理图如图1-2所示。图1-2 基于时间差的定位原理图Fig. 1-2 Pr
15、inciple diagram based on TDOA现今使用的声源定位算法基本上基于以上三种声源定位原理。国际上经过多年的研究，现有的方法都是在这三种方法进行的改进。1.2.2 基于麦克风阵列声源定位系统的应用被动声源定位包括对声源方向的估计，这种技术由来已久，比如人们总是循着声音最大的方向来寻找说话人的位置。近年来，随着科技的发展，声音定位在许多方面，比如无线通信、雷达、声纳、地震探测、导航和生物医学等领域有着广泛的应用。现在比较热门的是使用基于麦克风阵列的定位方法，尤其是对语音信号的处理。国际上经过多年的研究，已经有一些实际可用的语音处理系统。如音/视频/免提通信/会议系统、语音识别系统、语音控制系统、车载以及助听器等。理论研究方面，文献34中使用了拥有24个麦克风的麦克风阵列构成了一个声源定位系统，更为深入的研究除了能对单个静
