声源定位技术原理和应用

什么是声源定位技术？

噪音和异常噪音在日常生活和工业生产中很常见，例如在驾驶汽车时的how叫声异常。为了解决这些噪声问题，我们首先需要识别并定位噪声来自何处以及造成哪些设备或组件。这是声源定位问题。声源定位技术是确定声音在太空源中的位置的技术。声源定位技术可用于噪声源定位或其他声音定位，例如确定扬声器在会议室中的位置。

在日常生活中，我们的耳朵会听到各种声音并识别和找到它们，这是所谓的“听和区分位置”。当某人发出声音时，人的耳朵很容易知道那个人在哪里喊叫。人的耳朵还可以轻松地确定沿侧面驾驶的汽车的方向，甚至大致知道汽车有多远。经过专业的培训，人的耳朵还可以挑战一些困难的声音源定位要求，例如盲人也可以踢足球。

但是，人耳的原始声音定位功能仅是解决生命和生存问题，定位精度非常有限。在现代工业社会的生产和生活中，在许多情况下，人耳不能再满足声音源定位问题的要求。例如，当连续道路上排队时，人耳不能透露哪辆车在鸣叫。人耳不能判断压缩机的吹口哨是由轴承还是齿轮引起的。人耳不能判断压缩机的吹口哨是由轴承还是齿轮引起的。人的耳朵甚至无法分辨出100米高的风力涡轮机刀片有更多的风噪声？

为了改善声音源定位的分辨率，需要技术手段。常用的声源定位解决方案包括麦克风阵列和声音强度探针。可以相信，这两种声音定位解决方案和技术都是人耳的声音定位机制的扩展，也是仿生技术。麦克风阵列模仿了两个人耳。麦克风阵列使用数千至千台麦克风，这相当于一个有很多耳朵的人，因此它们的定位精度远远高于人耳的定位精度。声音强度探针可以简单地认为是对声源附近聆听单一耳朵的模拟，用手包裹耳朵，以使耳朵不受远处的声音的干扰，然后将头移动到物体附近，以听到。确定声源的位置。

简而言之，噪声识别和声音源定位技术是技术进步（例如传感器，数据获取和信号处理）的全面应用。它模拟了人耳的声音定位机制，比人耳的定位精度更高，频率范围更高，并且声音强度范围更大。

声音源定位技术的应用

声音，尤其是噪声和异常噪声，通常意味着产品不合格，故障，突然或意外的环境。要解决这些问题，例如质量，故障，事故等，首先，需要噪声检测，并且这些问题的位置是通过噪声源定位技术确定的。声源定位在许多行业中都有应用需求，例如汽车，家用电器，航空航天等。

汽车异常噪声/噪声源定位

以汽车行业为例，汽车研发过程是逐步适应和优化过程。当在道路上测试第一辆原型车时，很可能会发出各种异常噪声，例如仪表板材料不合格或固定方法很差。 ，仪表板在颠簸时可能会产生共振的噪音（嘎嘎声，挤压）；如果内部和密封不好，则发动机噪声或轮胎噪声会泄漏到汽车中，从而导致车内NVH（噪声，振动和刺激性）指示器。遵守研发设计目标；底盘或电源系统还可能产生异常的噪音，例如摩擦（摩擦和嗡嗡声），敲击和其他异常噪音。

汽车内部的空间相对较小，并且在各个方向都可以使用噪声源的位置。不可能通过依靠人的耳朵和经验来准确地定位噪声源。目前，需要专业的声学摄像机和仪器来可视化声音，以便快速地确定声音。噪声源位置。

例如，以下视频是其高音相机位置仪表板的声音视频。

与汽车行业类似，有许多行业需要使用声学摄像机，例如家用电器，航空航天，消费电子，重型设备等。粉丝，轴承，扬声器等，声音源定位技术的应用非常重要。在此类产品的研究和开发过程中，使用声相机可以极大地提高工作效率，并迅速找到噪声源或异常的噪声位置，从而帮助工程师快速和目标解决问题。

声音源定位技术应用的另一个分支是语音或其他声音方向和位置的定位。例如，安全机器人，服务机器人和远程会议系统需要在工作过程中响应声音。当安全机器人朝着一定方向听到大声的声音时，它需要将相机指向该方向以录制视频。服务机器人需要确定说话者的方向，以便与服务对象进行通信；远程会议系统需要确定扬声器的位置。 ，以控制相机以关闭扬声器并将其特写视频传输到遥控器，以获得更好的实时广播效果。

声源定位技术用于机器人行业

声源定位系统在军事行业也有许多应用。例如，根据子弹飞行的声音，可以将狙击手的位置放置；根据壳爆炸的声音，可以确定壳登录点的坐标。潜艇和军舰使用Sonar根据敌方船只或水中的武器发出的声音来定位目标位置和轨迹。

声源定位算法的原理

声源定位技术可以分为两类，即声音阵列（也称为麦克风阵列或麦克风阵列）声源定位和声音强度探针声场测试。

麦克风阵列由根据某些规则排列的数千至数千个麦克风组成。多个麦克风同步收集声音信号，并使用多个麦克风之间的信号相差来找到噪声源信号的输出位置。声音强度探针由两个相互面对的麦克风组成，可以测量空间中每个点的声波振动速度和方向。扫描并在测量物体的表面或包膜表面附近进行测试，以获取在测量物体附近的声场。分配情况，以掌握噪声源的位置和分布。

声音阵列和多声强度探针声源定位系统

麦克风阵列通常用于相对较远的声源，并且噪声源大小小于麦克风阵列的距离。声音强度探针通常用于在复杂的目标和环境中定位声源。例如，车间中的压缩机具有较大的噪声水平和混响，噪声源也非常复杂，适合使用声音源位置。当然，麦克风阵列也可以用于更接近的声源定位应用。

麦克风阵列的声源定位算法主要包括以下类别：

1）TDOA，到达的时间差异

TDOA原理很简单，使用了麦克风的数量，计算量很小，并且易于实现。 TDOA的主要核心是计算声源和麦克风之间的时间差，这要求系统具有足够高的采样率。另外，该方法通常通过互相关或广义互相关算法来计算时间差，并且可能不适合定位周期信号。

TDOA原则

例如，上图中的红点是噪声源的位置，黑点是麦克风测量的位置。根据1和3之间的时间差，我们可以绘制黑色双曲线。 1和3是双曲线的两个焦点。 （双曲线的属性之一：双曲线与两个焦点上点之间的距离之间的差异是常数）。同样，我们可以根据小麦3和小麦2之间的时差来绘制绿色曲线，两条曲线的相交是噪声源的位置。

2）波束形成

光束形成方法过滤了每个传感器在阵列中收集的信号，加权叠加它们，然后形成梁，扫描整个接收空间，并可视化平面的声压分布。波束形成方法高度鲁棒，不需要先验知识，并且简单而直观，因此这种类型的设备也被称为声学摄像机。在某些文献中，波束形成也被翻译为“波束形成”。

基于波束成形的声学摄像机用于各种噪声检测

3）全息图

麦克风阵列声全息算法可以重建要测量的对象周围的整个声场，以便可以获得任何表面上的声压尺寸分布。假设要测量的对象符合某个声场数学模型，麦克风阵列会收集声场中多个点的声压值，以便可以解决数学模型中的未知参数，并且整个声场信息可以获得。与波束形成算法相比，优势是它可以维持低频音源的良好分辨率。

最早的商业声学全息算法是STSF（声场的空间转换）。在要测量的物体周围排列具有均匀麦克风分布的麦克风阵列，并通过算法（例如2D FFT）计算声场，以便可以获得每个平行于麦克风阵列测量表面的平面。声压尺寸分布。 STSF要求麦克风阵列封闭要测量的对象。在实际操作中，通常需要麦克风阵列的面积至少是要测量对象的面积的4倍。这很难满足实际使用的要求，因此STSF的直接应用很少。 SONAH（统计优化的近场全息图）是STSF算法的进一步改进，并且不需要麦克风阵列和麦克风布局的大小。 SONAH更适合实际应用，可以使用与波束成形算法相同的麦克风阵列。

目前，声学摄像头的主流算法使用光束成形算法。除了支持光束面积的算法外，其高声相机还支持Sonah算法。对于低频音源，也可以准确地定位。此外，它的高声摄像机还支持各种改进的波束形成算法的算法，例如Damas（用于映射声源的反卷积方法）。

声源定位设备和产品

声音源定位设备和产品，市场上有强烈的探针和粒子速度扫描探针。

声源定位产品分类

声音调查具有悠久的历史，其原则是在1930年代提出的。国内外麦克风供应商都有成熟的声音传感器产品。更常见的产品是双重麦克风探针，该探针由两个麦克风面对面组成，形成一个集成的传感器。还有一个由四个麦克风组成的三维声音强度探针。需要配对用于相同声学探针的麦克风，即振幅和相位频率响应和麦克风之间的相位频率响应之间的差异小于一定的误差范围。

声音强度探针有两个主要用途：声源定位和声音功率测量。当用于声源定位时，网格点通常会在接近要测量目标的平面上进行分配，并且在每个网格点处测量声音强度。它的高信号尺寸测量和控制软件支持声音强度测量，并可以导入图片，将每个网格点的声音强度叠加到图片中，这很方便地比较大小和直观地定位噪声源。可以通过整合信封表面的声音强度来获得声音。因此，可以通过测量要测量目标的一个信封表面上的一个信封表面上的声音强度来获得声音。通过使用声音强度方法，可以在正常环境中对其进行测试，而无需在声音绝对室内进行，因此可以在正常环境中测试声音噪声。它的高信号尺寸测量和控制软件还支持声音​​功率测量，包括声音强度方法，十分声音压力法或二十点声压方法。它的高科技提供了一套完整的声音电源测量解决方案，包括声音括号，麦克风，数据采集系统，软件等。

它的高信号测量和控制软件支持声音强度测量

声波颗粒振动速度传感器是一个特殊的传感器，由两条铂电线组成。当声波穿过铂金属丝时，由于温度差，电阻差与声波振动速度成正比。因此，这种类型的传感器可以测量声波颗粒的振动速度。声波颗粒振动速度扫描探针通常还具有一个麦克风的整合，该麦克风可以同时测量声压和粒子速度，并且每个测量点都输出一个向量。通过声压和粒子速度，可以计算声音强度，因此声音强度分布也可以通过声音强度扫描探针获得。

在过去的二十年中，声音阵列产品已经迅速发展，并已成为声音源定位的常见工具和设备。

声学阵列由根据某些规则排列的数千至数千个麦克风组成。所有麦克风同时收集声音信号，并使用算法来计算声学参数的空间分布值，例如感兴趣区域中的声压。

由于声学阵列使用大量麦克风，因此通常称为麦克风，因此声学阵列通常称为麦克风阵列。

麦克风阵列产品的分类可以从不同角度进行。

1）根据所使用的传感器类型，可以将其分为MEMS麦克风阵列和工业电容麦克风阵列。

MEMS麦克风紧凑，高度整合并且具有良好的相位一致性。它们通常用于小麦克风阵列。可以将几到数百个MEMS麦克风集成在PCB电路板上，以实现麦克风阵列。智能扬声器开元棋官方正版下载，笔记本电脑和手机上的微型麦克风阵列都是使用MEMS麦克风建造的。大多数工业便携式声学摄像机也使用MEMS麦克风实施。

MEMS麦克风

工业电容麦克风通常用于构建中和大型麦克风阵列，并在性能要求相对较高的某些情况下使用，尤其是在测量绝对值时，例如声源定位和计算声音压力水平和声音功率。此外，电容性麦克风可以高度敏感，并且适合在某些特殊的测试场景中使用。与数据采集系统相结合，各种技术相对成熟，适用于构建具有相对较大物理尺寸的麦克风阵列。当然，MEMS麦克风技术也在不断更新和更换。电容麦克风的优势将越来越小。许多应用程序场景可以用MEMS麦克风代替。

2）根据麦克风之间的空间维度关系，麦克风阵列可以分为一维阵列开元ky888棋牌官网版，二维阵列和三维阵列。

一维阵列，即所有麦克风都在线上，可用于确定入射的麦克风阵列的方向角度。一维阵列还用于对汽车或高速导轨进行噪声扫描测试。使用目标运动的特征，一维阵列还可以通过算法来测量汽车操作过程的各个部分或高速导轨的噪声分布。一维阵列的应用程序方案相对较少，生产力不高，通常需要定制服务。

二维麦克风阵列，即所有麦克风都在同一平面上排列，可以通过横梁成形算法在一个平面上测量声压分布，并将其与照片叠加以形成直观的“声音云”或“声音成像图” ”。

声音云图

二维阵列是一个具有更多应用的麦克风阵列，尤其是基于MEMS的便携式麦克风阵列。它具有强大的实时性能，并配备了相机，可以立即使用，就像打开相机拍照一样，因此也称为“声学相机”或“声音相机”开元ky888棋牌官方版，有时称为“声音摄像机” ”，这两个含义都是相同的含义，即这样的麦克风阵列可以可视化声音。

它高度独立开发的便携式二维麦克风阵列

球形声学阵列是常见的三维麦克风阵列。它的算法是球形坐标上的波束形成的变化，基本原理是相同的。球形麦克风阵列的优点是，可以同时将声源放置在各个方向上。球形阵列通常配备多个摄像头，同时在多个方向上拍照。因此，在某些较小的封闭空间中使用球形麦克风阵列可以一次获得阵列中心的整个空间的声云图，例如，在汽车中的异常噪声定位和飞机舱中的噪声源位置可以是用过的。麦克风阵列的空间分辨率与阵列的大小直接相关，球形阵列通常不可能变得很大。因此，球形阵列也具有其弱点，即，空间分辨率和动态范围指标通常不高。在实际使用中，使用平面阵列的麦克风阵列更实用。他们可以在封闭空间中找到声源。通过多个测试或通过多个阵列同时工作的多个阵列，它们还可以比球形阵列获得更好的声源定位应用程序效果。 。

麦克风阵列的关键指标是：空间分辨率（或空间分辨率），动态范围和工作频率范围。空间分辨率是指麦克风阵列对同时存在的多个声源的定位和区分能力，其特征是两个可识别点的声音源之间的最小距离。

两个声源之间的距离足够大，可以区分声音云图。两个声源之间的距离很近，声音云映射无法区分。

动态范围是指麦克风阵列可以成像的两个声源之间声压水平的差异。动态范围可以以最大侧叶级MSL（最大侧杆级）为特征。当存在多个声音源时，如果麦克风阵列的动态范围太小，则只能将声音源定位在较大的声音水平上。麦克风阵列的分辨率和动态范围都是频率的函数。一般而言，频率越低，分辨率越差。动态范围与编队有关。操作频率范围是指麦克风阵列分辨率达到所需的声频范围的声频范围。

3）根据麦克风的布置形状，平面声学阵列可以分为均匀的阵列，圆形阵列，螺旋阵列和随机阵列。

平面麦克风阵列中麦克风的布置形状对其性能指标有影响。从理论性能指标的角度来看，对于具有物理大小和关闭麦克风数的麦克风阵列，随机阵列的性能指标应愿意。但是，由于麦克风数量有限，麦克风位置不能真正随机，因此其性能指标可能不会是最佳的，需要通过仿真来优化。在麦克风阵列的实际设计中，螺旋阵列更常用。它在各个方面都具有良好的指标，并且可以实施它，并且具有技术感。螺旋阵列的主要优点是它们的频率分辨率很接近，而且幽灵很少。统一阵列的构造很简单，可以使用简单的工具（例如铝制概况）构建，该工具适合在大学和大学的教学和研究中使用。统一阵列的一个典型问题是还有更多的鬼魂。定位声源的旋转组件时，圆形阵列是有利的，例如螺旋桨叶片旋转过程中的噪声分布。

统一阵列及其成像模拟和螺旋阵列及其成像模拟

4）根据麦克风阵列的数量和大小，可以将其分为微阵列，便携式小组，中型阵列，大阵列和分布式阵列。

微阵列包含2-8个麦克风，这些麦克风通常用于消费电子。例如，麦克风阵列内置了几个麦克风，以提高声音采集的方向性和信噪比。此外，在智能扬声器中，还使用了微麦克风阵列，通常由4-6个麦克风组成。小阵列通常使用数十个MEMS麦克风（主要用于便携式声学摄像机），并且所有指标（例如易用性，可移植性，实时和性能）均相对较平衡。它是该行业目前的麦克风阵列技术。在现场更广泛使用的产品。

智能扬声器（互联网图片）和便携式小阵列

通常使用电容性麦克风和同步数据采集系统构建中和大阵列。声源在烧蚀室中进行测试。通常，对中型阵列进行采样，并且阵列大小通常大于便携式声学摄像机的阵列，因此低频性能会更好。大型阵列使用数百或数千个麦克风。主要的应用是正在测试的目标的较大距离，例如飞机起飞和Leap噪声以及风力涡轮机的操作噪声。

中型阵列在烧蚀室中用于噪声源定位测试和大型阵列，用于发电中的噪声监测

与单个阵列相比，分布式阵列通过多个小型麦克风阵列一起使用，以获得更优化的性能指标。例如，在森林中排列了大量的小麦克风阵列，它们可以识别，找到和跟踪动物的声音并将其与相机连接起来。当发现目标动物声音时，可以控制相机拍摄照片和视频。分布式麦克风阵列围绕着重要建筑物和地点安排，以检测无人机是否根据声音入侵，以及无人机的声音定位和跟踪。

分布式麦克风阵列（图片来自互联网）

其高声相机产品

它的高科技在声学技术的研发和应用方面积累了十多年的经验，并且具有完整的独立研发能力，从硬件开发，软件开发到算法开发，所有这些都完全独立地完成。它的高科技研发团队已获得与声音源定位有关的十多种专利，并在国际学术期刊“声音与振动杂志”中发表了几篇有关声音成像和声音源定位相关算法的论文。

它的高发展团队在声音和振动期刊上发表了一篇有关声源定位的算法论文

它高度独立开发的麦克风阵列涉及许多成功的应用程序场景，例如汽车噪声异常定位，无人机声音定位，风力涡轮机噪音测试，飞机飞行噪声定位，机器人声音定位，会议室扬声器扬声器定位，电动噪声探测，机动车辆捕获捕获，声音增强，等等。

它的高科技麦克风阵列产品包括便携式声学摄像头，中型阵列，大型阵列和分布式阵列，并在汽车，航空航天，军事行业和智能运输中都有大量客户和应用程序。

其高音源定位产品和解决方案

它的高麦克风阵列用于飞机垂直尾巴，汽车发动机，风力涡轮机和注塑机的噪声检测。

它的高麦克风阵列用于地铁门，哨子快照，四肢和榨汁机的噪声源定位

其高级声音源定位技术产品和解决方案

它的申请案例用于高音源定位