摘 要

室内定位技术一向是研究的热门问题。声源定位因其独特的优势而被广泛应用于噪声定位、车载系统、移动机器人等领域。本文就室内环境下对可听声的定位问题设计了一个基于麦克风阵列的声源定位系统。

本文首先就声源定位的理论基础作了介绍，这其中包括麦克风阵列接收的信号模型，这种模型决定了对于信号的不同处理方法，还介绍了各种麦克风阵列定位方法。其中，时延估计法常被广泛应用。时延估计方法的声源定位过程主要分为时延估计和定位两个阶段，而定位的精度与这两个阶段的效果有关。根据实际情况，选择合适的时延估计算法和定位模型。此外，根据理论分析，设计了一个简单的声源定位测试系统。这个系统首先搭建了一个均匀线性麦克风阵列，其次利用数据采集卡采集到声音，并利用Labview图形化编程软件编写了声源定位的应用程序，最终实现了二维平面内对某个点的定位。利用该系统对不同位置的点进行综合的对比实验，验证了该声源定位系统良好的定位效果。

关键词：声源定位系统；麦克风阵列；时延估计；Labview

Abstract

Indoor positioning technique has always been a hot topic of study. Because of its unique advantages , sound localization are widely used in noise positioning, vehicle systems, mobile robots and other fields. In this paper, a sound source location system based on microphone array is designed for the location of audible sound in indoor environment.

Firstly , the theoretical basis of the sound source location is introduced in this paper, which includes the signal model that is received by the microphone array.This model decides the different processing ways for the signal, and it also introduces various position’s methods based on the microphone array. Time delay estimation among them is often widely applied. The sound source localization process based on the time delay estimation method is divided into two stages,it includes time delay estimation and positioning.And the accuracy of positioning is related to the effect of these two stages. Then, according to the actual situation, the appropriate time delay estimation algorithm and positioning model is selected. In addition, according to the theoretical analysis, a simple system which locates the sound source is designed. It includes a uniform linear microphone array, a data acquisition card to collect the sound signal, and a application of the sound source position based on Labview image programming software . Finally ,the position of a point within a two-dimensional plane is located. The system performs a comparative experiment on the points at different locations, which verifies the good positioning effect of the sound source positioning system.

Key Words：Sound source localization system; Microphone array; Time delay estimation; Labview

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 2

1.4 本文的结构 3

第2章 声源定位的理论基础 4

2.1 声音的基本概念 4

2.2 麦克风阵列的信号模型 5

2.2.1 近场模型 5

2.2.2 远场模型 6

2.3 麦克风阵列定位方法 6

2.3.1 时延估计方法 7

2.3.2 时延估计算法的选择 9

2.3.3 声源定位模型以及定位算法 10

第3章 声源定位系统的设计 12

3.1 概述 12

3.2 硬件设计 12

3.2.1 麦克风模块的选择 13

3.2.2 麦克风阵列的结构设计 14

3.2.3 数据采集仪 14

3.3 软件设计 15

3.3.1 虚拟仪器概述 15

3.3.2 定位系统软件设计方案 15

3.3.3 程序设计 15

第4章 实验结果与分析 20

第5章 总结与展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

传感器技术的发展给人们在生活中带来很大的便利，且发挥着重要的作用。它在生活中就如同人类的五官去感知世界，是人类利用电子设备去获取信息的基础。近年来语音技术的飞速发展，声音传感器的应用越来越广泛，人类对于语音智能化的需求日益提高，而对于语音信号研究领域的声源定位技术可以为人类提供更好的服务。

在一般环境下关于定位的研究很多。光学定位是一种方式，但是受监控范围或其他因素的限制。而声音有其独特的优势，在特殊环境下（如在烟雾或黑暗情况）对于室内声源的定位有良好的效果。近年来，室内定位常常给人们的生活带来了很大的方便。目前，主要采用的定位技术有光学定位以及超声波定位、红外线感应定位、蓝牙识别定位、射频识别等定位技术^[1]。但是，他们都因为各自的缺点而不被广泛的应用。声源定位技术因为其受非视距影响小，硬件搭建平台简单，定位精度高等诸多优点得以应运而生。声源定位技术是源于仿生学原理，利用人耳的双耳效应，模仿人类的双耳，通过声音传感器接收声音信号后，再利用计算机设备进行处理，从而获得声源的位置^[2]。这里，我们可以用两个麦克风传感器来作为人类的双耳，通过计算两个麦克风的时间差来得到目标位置。但一般来说，在室内有混响和噪声较大的环境下，双麦克风结构对于室内目标的定位精度很低。为了提高定位精度，人们开始设计了麦克风阵列。那么麦克风阵列是什么呢？它是由一定数目的声学传感器(一般是麦克风)组成，在空间里按照特定的几何结构排列，尽可能多地获取空间里的声音信息，通过一定的声音信号处理技术来提高定位精度。 与双麦克风定位模型相比，它克服了灵敏度小，定位盲区大等缺点，有效获取了多路信号，极大地提高了定位效果。

未来，利用麦克风阵列来处理信号的应用会越来越广泛。因为通过搭建的麦克风阵列获取的声音信息量大，在回声抑制和声源定位有不错的处理效果，可以充分利用各阵元信号的相关性对输入信号进行分析处理，结合一定的算法可以有效地对待测参数进行估计^[3]。本文就是基于麦克风阵列来设计了一个声源定位测试系统，在一个混响和噪声较小的室内环境中，模拟一个声源信号，通过数据采集仪采集信号，并分析和处理后得到了声源的位置，在合理的情况下得到了不错的定位效果。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

对于声源定位技术领域的研究，外国在这方面做了很多研究。与国内研究方向不同的是，国外主要注重军用产品的研究。例如，瑞典研制的Helisearch 直升机声测定位系统。就是利用声音信息去定位低空中的微型直升机，对于防空预警的意义重大；美国研究的单兵声源定位系统可以将敌人发出的声音进行监测在其临近时报警。另外，国外的一些科研单位也将声源定位技术应用于机器人领域，比如加拿大的Sherbrooke大学，他们就是将声源定位技术应用到机器人上，给机器人装上了“耳朵”。因此，机器人可根据目标的声源追踪其位置，使机器人智能化。

1.2.2 国内研究现状

我国的研究机构以前对声源定位这方面的研究不太关注。随着人工智能时代的到来，而今各个研究机构开始了将麦克风阵列的硬件平台与声源定位技术结合起来的研究。国内方面，声源定位技术主要应用于海军，利用声纳去监听和侦测潜艇位置；另外，兵器工业总公司系统总体部也在开始研究对于地面目标定位的有关军用产品。还有一些企业也在研究关于声源定位的民用产品。例如，大友科技对以麦克风阵列为核心的声源定位系统的研制，可对噪声源系统进行定位。中科院声学研究所研制的 InSYS2010 型声相仪，可以在多声源环境中实现对每一个声源的定位。这种声相仪的研制，对于生产制造中的噪声检测有重要的作用^[3]。

1.3 本文研究的主要内容

本文研究的目的是在室内环境下单个目标发出声音，利用麦克风阵列采集声音信号，选取合适的定位方法实现对声源位置的定位功能。本文的研究阶段分硬件和软件部分，硬件部分有麦克风阵列的硬件平台搭建，数据采集卡的设计；软件部分有定位系统的软件方案设计，声音信号的分析及处理声源信号的显示，时延估计和定位算法的设计^[5]。本文的主要研究内容如下：