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1、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测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的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且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
2、出了麦克风阵列接收信号的远场模型、近场模型和麦克风阵列的拓扑结构；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数的改进方法。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EasyRAM2119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。该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，这样不仅能够较好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；声源定位；
3、时延估计；EasyRAM2119；故障检测IAbstractAbstractThe purpose of this paper is to seek a new fault detection method for detecting effectively the state of the running gear of trains, and the source of fault location when it is in an abnormal state. Sound source localization based on microphone array will be ind
4、uced into the field of fault detect based on the analysis of the research status quo at home and abroad.This paper mainly has a detailed study on the various aspects of sound source localization based on microphone array, and provides the basis for the future further research.The paper firstly makes
5、 a primary study of three kinds of existing sound source localization methods based on microphone array, which is maximum output power controllable beam forming location method, high-resolution spectral estimation location method and sound wave arrival time difference (TDOA) location method. Based o
6、n the analysis of their disadvantage, the method of sound wave arrival time difference is adopted in this paper. This method has a higher positioning accuracy, the amount of computation is far less than the first two methods and it can be implemented real-time in practice.Secondly, I discuss detaile
7、d several time delay methods in common use. The far-field and near-field models of microphone array signals reception and the microphone array topology is given in the paper.Then I also induce three kinds of localization methods and analysed their advantages and disadvantage. I make a computer simul
8、ation using one localization method in different distances and angles. In order to reduce localization error, a kind of amendment method is proposed, that is using sound pressure of received signals as a factor, and the results of the simulation after amending is given in the last.The results indica
9、tes, the improved method is closer to theoretical perspective than the former.Thirdly, a real-time sound source localization experimental system is accomplished based on EasyRAM2119 experimental plate. The system mainly use sound wave arrival time difference (TDOA) localization method, the part of t
10、ime delay estimation use cross-power spectral phase method, and the part of angle localization use angle-distance method. So this system could suppress the influence of reverberation and noise better, and has lower computing.Last, sound source localization is introduced into mechanical faults detect
11、ion field. A kind method of sound source localization is given to figure out the place of faults source effectively. This method can effectively figure out the location of the sound source. Keywords Microphone array; Sound source localization; Time delay estimation; EasyRAM2119; Faults detect V目 录目
12、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 论文主要研究内容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分析222.3 模拟仿真23
13、2.4 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拟仿真413.4.1 仿真条
14、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 上位机界面软件614.5 声源定位实验
15、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第1章 绪论第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
