基于半球型麥克風(fēng)陣列的點(diǎn)聲源定位系統(tǒng)智能檢測(cè)前端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉祥樓，王曉東，劉昭廷，劉瑞男

（1.東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶163318；2.黑龍江省高校校企共建測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心黑龍江 大慶163318）

基于半球型麥克風(fēng)陣列的點(diǎn)聲源定位系統(tǒng)智能檢測(cè)前端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉祥樓1，2，王曉東1，劉昭廷1，劉瑞男1

（1.東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶163318；2.黑龍江省高校校企共建測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心黑龍江 大慶163318）

本文系統(tǒng)闡述了自行研發(fā)的半球型麥克風(fēng)陣列的點(diǎn)聲源定位系統(tǒng)智能檢測(cè)前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心、以半球形麥克風(fēng)陣列為聲源檢測(cè)單元、與信號(hào)調(diào)理模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊共同構(gòu)建一個(gè)智能檢測(cè)前端，針對(duì)點(diǎn)聲源以不同的角度和方位同步實(shí)時(shí)多點(diǎn)采集噪聲信息，并對(duì)多點(diǎn)信號(hào)同步歸一化處理。經(jīng)過(guò)測(cè)試本智能檢測(cè)前端噪聲分辨率0.1 dB。

半球型麥克風(fēng)陣列；點(diǎn)聲源定位；智能檢測(cè)；噪聲；多點(diǎn)信號(hào)同步歸一化

點(diǎn)聲源檢測(cè)與定位是領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)，基于麥克風(fēng)陣列的檢測(cè)與定位是行之有效方法[1-2]。目前麥克風(fēng)陣列模型主要有平面式和立體式兩種[3-4]。平面式陣列算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但在檢測(cè)高度方面受到了相應(yīng)的限制[5]。立體式陣列定位更加精確，但算法也更加復(fù)雜[6-7]。文中提出了一種基于半球型麥克風(fēng)陣列非均勻布點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聲源定位方法。陣列由19個(gè)電容式麥克風(fēng)分四層布設(shè)在直徑為10公分的半球面上，第一層布點(diǎn)在中心點(diǎn)o，其余三層分別以間隔60°排布6個(gè)麥克風(fēng)，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào) a1，a2，…，a6、b1，b2，…，b6、c1，c2，…，c6，第二層a1與第三層對(duì)應(yīng)點(diǎn)b1相對(duì)平面投影夾角30°。球面上麥克風(fēng)的方向沿著球心到該點(diǎn)的法線方向排布。

1 點(diǎn)聲源定位系統(tǒng)組成與智能檢測(cè)前端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本著以需求為導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)整體任務(wù)分解，按相對(duì)獨(dú)立功能化分模塊的主體設(shè)計(jì)思想，將自行研發(fā)的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點(diǎn)聲源智能定位系統(tǒng)整體任務(wù)分解為3個(gè)主體部分，一是點(diǎn)聲源噪聲信息多路同步實(shí)時(shí)采集，二是多路信息的同步歸一化處理，三是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聲源空間定位。為此，將前兩項(xiàng)任務(wù)劃歸成兩個(gè)獨(dú)立功能模塊，由智能檢測(cè)前端完成；第三項(xiàng)點(diǎn)聲源定位任務(wù)主要是根據(jù)大量的同步歸一化數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件定位算法計(jì)算獲得。麥克風(fēng)陣列布點(diǎn)正視圖如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)19路麥克風(fēng)構(gòu)成半球陣列構(gòu)成多路信息實(shí)時(shí)同步采集，整體由智能化測(cè)量前端和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與處理上位機(jī)兩部分組成。智能檢測(cè)前端硬件系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為核心，其主體構(gòu)成除了STM32處理器之外，還包括麥克風(fēng)陣列、信號(hào)調(diào)理電路、與上位機(jī)的無(wú)線通信電路，智能檢測(cè)前端結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。

圖1 麥克陣列數(shù)學(xué)模型俯視圖

圖2 聲源定位系統(tǒng)組成框圖

前端傳感器陣列作為系統(tǒng)最為關(guān)鍵的組成部分，其選型復(fù)雜多變，本設(shè)計(jì)采用心型指向式麥克對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其聲壓靈敏度為50 mV/dB[8]。麥克風(fēng)陣列輸出信號(hào)調(diào)理電路主要包括聲壓信號(hào)阻抗變換和交流放大[9]兩部分，由于采用單電源供電，所以交流放大的參考需要取中間電壓作為參考電壓，對(duì)于放大后的信號(hào)需要的是交流量而不是絕對(duì)值，因此采用電阻對(duì)5 V進(jìn)行分壓，然后通過(guò)運(yùn)放跟隨輸出得到用于提供放大的基準(zhǔn)VREF。放大后的交流信號(hào)通過(guò)檢波電路，變換為直流電壓送給A/D進(jìn)行采集。運(yùn)放采用了精密放大器OPA340[11]，該運(yùn)放具有低噪聲、低失調(diào)電壓、高壓擺率等優(yōu)勢(shì)[12]，對(duì)于聲音信號(hào)放大優(yōu)勢(shì)明顯[13]。檢波電路采用了兩只肖特基快速二極管SS34，以滿足信號(hào)頻率較高時(shí)的整流需求。單通道信號(hào)處理電路如圖3所示。

圖3 單通道信號(hào)調(diào)理電路

2 智能檢測(cè)軟件程序設(shè)計(jì)

智能檢測(cè)軟件程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲(chǔ)。通過(guò)DMA[14]開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理模塊則等待采集完成后的DMA中斷請(qǐng)求[15]，一旦發(fā)生中斷請(qǐng)求則說(shuō)明數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成，接下來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)打包寫入到串行FLASH進(jìn)行存儲(chǔ)。若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則上傳異常數(shù)據(jù)到主機(jī)，同時(shí)若主機(jī)發(fā)起查詢命令，則上傳主機(jī)需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。由于數(shù)據(jù)通道較多，為方便數(shù)據(jù)的高效通信采用編碼通信。PC機(jī)作為上位機(jī)，而智能前端作為下位機(jī)，上位機(jī)定期發(fā)送查詢命令，下位機(jī)收到命令并解析協(xié)議后按上位機(jī)需求上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)數(shù)據(jù)異常時(shí)提出上傳請(qǐng)求，并將異常數(shù)據(jù)按要求發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)通信協(xié)議如圖5所示，數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾分別作為數(shù)據(jù)傳輸起始與結(jié)束標(biāo)志。圖5（a）為上位機(jī)數(shù)據(jù)查詢格式，通過(guò)B0告知下位機(jī)回傳數(shù)據(jù)的通道。圖5（b）為單通道發(fā)送數(shù)據(jù)格式，幀頭和幀尾作為統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)，每一通道采用兩字節(jié)回傳，R0低5位為當(dāng)前數(shù)據(jù)的通道地址，6、7位為當(dāng)前數(shù)據(jù)的量程，最高位為地址標(biāo)識(shí)位；R1低7位為當(dāng)前數(shù)據(jù)有效數(shù)值，最高位為數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位，數(shù)據(jù)實(shí)際值為。該數(shù)據(jù)編碼方式有效的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸時(shí)間，提高了傳輸效率。

圖4 智能檢測(cè)軟件流程

圖5 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

3 智能檢測(cè)前端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)測(cè)試

為保證模擬信號(hào)放大不受干擾，智能檢測(cè)前端信號(hào)采集和控制處理相對(duì)獨(dú)立，具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)麥克信號(hào)采集陣列如圖6（a）所示，控制處理板如圖6（b）所示。由于實(shí)際電路系統(tǒng)中每路麥克風(fēng)傳感器的靈敏度略有差異，信號(hào)放大電路也難以保證其完全一致，所以在數(shù)據(jù)測(cè)試之前需要對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證各個(gè)通道對(duì)信息反映的一致性。具體測(cè)試環(huán)境，選定50平米的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)溫度23℃，相對(duì)濕度42%，聲源為Type4205和HP1001，將智能檢測(cè)前端固定在離地面三米的室內(nèi)頂端，分別將聲源放置不同的方位。譬如位置1聲源放置于a1，b6，c1三角輻射區(qū)域內(nèi)，對(duì)外輸出聲級(jí)80 dB。PC上位機(jī)發(fā)送采集命令0XFF 0X13 0X00，獲取所有通道數(shù)據(jù)，從機(jī)傳回?cái)?shù)據(jù)如表1所示。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)通道采集到得數(shù)據(jù)反應(yīng)了聲源所處的位置，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試聲源的擺放位置是一致的。通過(guò)對(duì)智能檢測(cè)前端系統(tǒng)測(cè)試其噪聲分辨率0.1 dB。

圖6 智能測(cè)試前端電路實(shí)物圖

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

文中提出的基于半球型麥克陣列的聲源定位系統(tǒng)，其智能檢測(cè)前端系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：19路噪聲信息采集聲壓傳感器靈敏度均采用同型號(hào)同批次的麥克風(fēng)其聲壓靈敏度50 mV/dB，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試各路對(duì)噪聲的分辨率和測(cè)試精度協(xié)調(diào)一致，智能檢測(cè)前端系統(tǒng)噪聲分辨率0.1 dB。實(shí)現(xiàn)了19路噪聲信息的實(shí)時(shí)同步采集、處理與無(wú)線傳送。

[1]林志斌，徐柏齡.基于球麥克風(fēng)陣列的三維空間多聲源定位（英文）[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，4:007.

[2]Tashev，H.Malvar.A New Beamformer Design Algorithm for Microphone Arrays[J].Proceedings of ICASSP，Philadelphia，PA，USA，March 2005.

[3]李文，夏秀渝，何培宇，等.基于麥克風(fēng)陣列的近場(chǎng)聲源定位[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，45（2）:307-310.

表2 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

[4]Takanobu Nishiura，Takeshi Yamad，Localization ofMultipleSoundSourcesBasedonaCSP Aanalysis with a Microphone Array，Acoustics，Speech，and Signal Processing，2000.ICASSP'00.Proceedings.2000 IEEE International Conference on Volume 2，5-9June 2000 Page（s）:II53-II 1056.

[5]Roman N.，Wang D.L.，and Brown G J..Speech segregation based on sound Localization[Z].Proceedings of IJCNN-01，2001，5（4）:2861-2866.

[6]B.Mungamuru，p.Aarabi，Enhanced Sound Localization Systems[J]，IEEE Trans.Man and Cybernetics，Part B，2004（6）:1526-1540.

[7]劉云武，楊衛(wèi).基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2014，36（2）:314-316.

[8]Truls Gjestland， Herold Olssen， RolfTORE randeberg.Noise in Norwegian cities and rural areas[J].Acta Acustica United with Acustic，2003，Suppl.1:66.

[9]任誼平，李慧中.噪聲監(jiān)測(cè)中的布點(diǎn)問(wèn)題與對(duì)策[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2003，15（4）:41-43.

[10]Yamada，S.Nakamura，and K.Shikano.Distanttalking speech recognition based on a 3-D Viterbi search using a microphone array [J].IEEE Trans.Speech Audio Processing，2002（5）：48-56.

[11]邵懷宗SHZ.基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，13（4）:256-258，267.

[12]李致金，喬杰.基于TMS320DM642麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（1）:35-38.

[13]Tailiang Ju，Yiliang Xu and Qicong Peng.Speech source localization in near field[C].pp.769772，vo1.2，ICCCAS'04， UESTC， Chengdu， China，2004，IDS Number:BBC53，EI:05038790125.

[14]陸灝銘，陳瑋，劉壽寶.基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，4:026.

[15]杜軍，桑勝舉.基于麥克風(fēng)陣列的語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26（10）:75-77.

Front end design and implementation of the intelligent point sound source localization system based on hemispherical microphone array

LIU Xiang-lou1，2，WANG Xiao-dong1，LIU Zhao-ting1，LIU Rui-nan1
（1.Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.The University-enterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology&Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province，Daqing 163318，China）

The front end design and implementation of the intelligent point sound source localization system based on the hemispherical microphone array which is developed independently is showed in this paper.The system consists of the STM32 MCU as the core，a hemispherical microphone array as the sound source detection unit，and the signal conditioning module and data transmission module.The noise information coming from a point sound source is collected by the system in different angle and azimuth synchronously in real-time，and the signals from different detection units are normalized in the system.After testing，the intelligent detection front end system shows a noise detection resolution as low as 0.1dB.

hemispherical microphone array；point sound source localization；intelligent detection；noise；multi point signals synchronization normalization

TN98

：A

：1674－6236（2017）05-0183-04

2016-04-15稿件編號(hào)：201604165

黑龍江自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（F201227）；東北石油大學(xué)培育基金項(xiàng)目

劉祥樓（1963—），男，黑龍江大慶人，博士，教授。研究方向：智能儀器、虛擬儀器。