声源定位技术中如何提高定位结果的准确度?
在实际应用中,声源定位的方法众多,本文仅指通过阵列波束形成被动声源定位。对于大部分基于波束形成的声源定位系统,其实现流程一般都有如下所示的几个步骤:
声源定位流程
在声源定位流程中,计算出阵列的波束图之后,一般还有两步:
1)寻找波束峰值——也就是搜寻主瓣的峰值,因为主瓣(最高的小山峰)峰值此时对应的空间角度是声源的方向,可以从而获得声源方向信息。
2)空间位置映射——计算出来声源方向后,根据阵列的已知位置信息进行空间映射即可计算出声源的相对位置。
可以看出,整个声源定位的核心步骤是前两步,因为主瓣所对应的空间角度的准确性直接决定了声源定位系统的精度。正向我们前面所说的,主瓣宽度越窄,相对旁瓣越高,此时定位的精度则越高,抗干扰性越强。
正是基于这个道理,我们常见的声源定位系统的阵型一般都会选择大孔径的均匀阵,这是提升声源定位系统精度最简单粗暴的方法,因为这样合成的波束主瓣又高又窄。因此在常见的声源定位系统中,主瓣宽度(3dB宽度)往往会被作为很重要的系统指标。
下图展示了日常生活中的几种声源定位系统,可以看出这些系统大多***用简单粗暴的均匀线列阵或是平面阵,而且尺寸都比较大(潜艇的舷侧阵声呐可长达数十米)。
总之,阵元个数越多,阵元间距越大,阵列孔径越大,此时阵列的声源定位性能越好。
声源定位技术是确定声音在空间来源位置的技术。是传感器、声源数据***集、声源信号处理等技术的综合运用来实现宽频率、高精准的声源定位、解析的要求。
在日常中,从手机、电脑、音响设备到自动驾驶、智能制造、航空航天等众多领域都有很广泛的应用。
声源定位技术根据水平和垂直两个方向,及不同场景要求,可分为麦克风阵列和声探头两大类。
其中,麦克风阵列是声源定位最常用的技术。它是由几个到上千个传感器,按照一定规则集成阵列,同步***集声源信号,使用时间到达差(TDDA)、波束形成、声全息等技术计算声强、声压等声学参数的空间分布值进行声源定位。
提高定位结果准确性目前主要***用两种方法:
一、多维、多形状麦克风系统集成阵列,是应用较多的技术。
它多个阵列同时工作,使各项性能指标得到较好均衡,对不同范围、方向、距离的声源、声压和声强进行识别拾音、比较,自动分析、判别各声源的方向性和信噪比,从而掌握各声源位置及分布状况、性质、强弱大小,以致达到自动定位声源的精准效果。还可同时提供以阵列为中心的各声源可视云图。
二、基于新深度的卷积神经网络声源识别框架。
它可对各种场景的多个声源实时自动定位。对收集的信号进行加权算法,在声源的信号方向上形成拾音波束,利用A·L算法和自适应滤波的方法消除噪声干扰,定向拾取声源信号,使得声源定位精准、清晰,准确率达98%。在语音识别、自动翻译、会议记录、转写等方面有较多应用,可大幅提升工作效率。
三、计算机的应用、使声源定位技术向智能化方向发展。
耳朵是怎样定位声源的位置的?
双耳的定位功能
1.双耳时间差
人的左右两耳之间有一定的距离,除了中垂面上的声源之外,其他方向的声源到达两耳就会产生时间差,若声源的方向偏右,则先到达右耳,反之亦然。声源越是偏向一侧,双耳之间的时间差则越大。
2.双耳相位差
由于声波到达空间不同位置的两点时,相位通常是不同的,所以当声源与两耳的空间距离不同时,声波到达两耳的相位就可能存在差异。因此声波引起的人耳鼓膜的振动中就包含了这一相位差信息,成为了声源定位的一个因素。声源的频率越低,相位差的定位效果也越明显。
3.双耳声级差
左右耳之间的距离虽然很近,但是由于头颅的阻隔作用,声音到达两耳可能存在声级差,若声源偏向两耳连线的左侧,则到达左耳的声压级会比右耳的较大一些,反之亦然。
4.双耳音色差
当声波从一直耳朵传到另一只耳朵的时候,头部会产生绕射作用。人头的直径约为20cm,与频率为1.7KHz的声波波长相当,所以频率高于KHz的声波绕射能力较差,衰减也越大。对于一个复合音,其包含的不同频率成分绕过头部的能力各不同。因此左右耳听到同一个声音的音色就会产生差异。