一种新型四麦克风工业噪声源定位系统的制作方法

1.本发明涉及一种噪声源定位系统，特别涉及一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，属于麦克风技术领域。


背景技术：

2.现有技术主要是基于多麦克风传声器阵列，通过多通道信号采集卡搭载fpga或cpu在设备端进行信号预处理以及波束形成(beamforming)，在一定空间范围内进行遍历搜索，以此实现声源定位，该类方法通常可取得较好的效果，但是该类算法往往需要以大尺寸多阵元麦克风阵列和高性能处理器为基础，这极大的提高了系统的硬件成本，同时降低了系统的工程便捷性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，以解决上述背景技术中提出的该类算法往往需要以大尺寸多阵元麦克风阵列和高性能处理器为基础，这极大的提高了系统的硬件成本，同时降低了系统的工程便捷性的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括四元麦克风阵列、三个广角摄像头、多通道采集调理设备、云端、gcc模块和用户客户端，所述多通道采集调理设备的四个边角处均固定安装有麦克风，四个所述麦克风采用正四面体空间拓扑结构，所述多通道采集调理设备的侧面安装有三个广角摄像头，所述多通道采集调理设备和三个广角摄像头均与云端信号连接，所述云端与gcc模块和用户客户端信号连接；
5.四元麦克风阵列：同步采集音频信号并以wav文件格式传输到云端；
6.三个广角摄像头：将拍摄的照片以jpg格式传输到云端；
7.云端：将传输的音频信号通过gcc模块计算，作为后续声源定位算法的基础，同时将音频信号上传到客户端，将上传的jpg格式照片进行合成全景图；
8.gcc模块：对音频信号的计算，预声源定位，将该算法得到的定位结果作为细化扫描范围的依据，然后在细化后的范围内使用高精度算法进行精确定位，将声源定位的结果与全景图叠加，形成全景声像图并实时上传到客户端；
9.客户端：对音频的接收和全景声像图的接收。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述gcc模块对音频的计算包括以下步骤：
11.第一步：上传到云端的音频文件首先进行gcc对的计算，计算好的gcc对继续进行时间延迟估计(tdoa)的计算并通过球面插值法实现预声源定位；
12.第二步：按照每90
°
水平角和每180
°
俯仰角进行区间划分，将扫描区间划分为8个区间；
13.第三步：根据预声源定位的结果确定后续精确声源定位的扫描区间；
14.第四步：将gcc结果进行白化滤波处理，之后使用srp算法在确定好的扫描区间中进行精确声源定位。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述预声源定位实现流程为：设定麦克风阵列坐标(xi,yi,zi)，以及麦克风之间的时间延迟τ12，τ13，τ23，通过位置解算得出声源位置坐标，即(xs,ys,zs)，根据正四面体麦克风阵列拓扑结构，三维空间生源计算公式为：
[0016][0017]
其中di是噪声源到达各个麦克风的声程。
[0018]
作为本发明的一种优选技术方案，所述正四面体麦克风阵列拓扑结构为：以第一通道麦克风为坐标原点，设空间中任意一点xn的坐标为(xn，yn，zn)，声源s坐标为(xs，ys，zs)；
[0019]
xn与原点之间的声程为：
[0020]
s与原点之间的声程为：
[0021]
设ri1为声源s到达原点与xn之间的声程差，则ri1同时满足两个公式：
[0022]
两个公式相减即为声程差的残差εi：
[0023]
在空间中根据水平角度10
°
，俯仰角度30
°
的间隙，均匀布置扫描点，通过求解所有扫描点εi的最小值，即可得到预声源定位的坐标，确定精确定位算法的扫描范围。
[0024]
作为本发明的一种优选技术方案，所述精确定位算法采用srp-phat算法，将整个麦克风阵列一次性聚焦在空间中的一个点上，求出该点的可控功率值，当扫描区间中所有点的功率值计算完成后，找出功率值最大的点即为声源所在位置。
[0025]
作为本发明的一种优选技术方案，所述srp-phat算法具体实现方法为：通过四元麦克风阵列同步采集音频信号并上传到云端，在云端处理器进行滤波去噪，分帧加窗处理，计算各通道之间的互功率谱，并对计算得到的结果进行白化滤波，最后求取该扫描点的可控功率值。
[0026]
作为本发明的一种优选技术方案，所述多通道采集调理设备的直径15cm，高度10cm，三个广角摄像头呈120
°
分布，嵌入在多通道采集调理设备之中多通道采集调理设备内部封装有respeaker 4mic麦克风拓展版，硬件搭载ac108芯片。
[0027]
作为本发明的一种优选技术方案，
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0029]
1.本发明一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，声源定位系统采用了设备-云端-客户端的物联网架构，将四元麦克风阵列采集的数据以及三个广角镜头采集的数据全部传输到云端，并分别进行处理，同时拍摄的三张图片在云端被处理成全景图，音频信号被直接上传到客户端，可供用户下载，并同时送入定位模块进行处理，通过预声源定位确定扫描区间，再使用精确声源定位算法进行精准定位，最终将定位结果与全景图相结合，形成全
景声成像，并实时上传到客户端，方便用户直观的判断设备工况。
[0030]
2.本发明一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，四元麦克风阵列的设计降低了硬件成本，提高了系统的工程便捷性和适用性。
[0031]
3.本发明一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，采用预声源定位算法和精确定位算法结合的方式，有效的提高了定位系统的运算效率，保证了系统的实时性。
[0032]
4.本发明一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，采用设备-云端-客户端的系统架构，降低了设备端的算力需求，节约了成本，同时云端的高实时性和兼容性，提供了系统中多设备共同运行的可能性，极大的拓展了该系统的应用场景。
附图说明
[0033]
图1为本发明的流程框图；
[0034]
图2为本发明的gcc模块流程框图；
[0035]
图3为本发明的精确定位算法框图。
具体实施方式
[0036]
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
请参阅图1-3，本发明提供了一种新型四麦克风工业噪声源定位系统的技术方案：
[0038]
根据图1-3所示，包括四元麦克风阵列、三个广角摄像头、多通道采集调理设备、云端、gcc模块和用户客户端，多通道采集调理设备的四个边角处均固定安装有麦克风，四个麦克风采用正四面体空间拓扑结构，多通道采集调理设备的侧面安装有三个广角摄像头，多通道采集调理设备和三个广角摄像头均与云端信号连接，云端与gcc模块和用户客户端信号连接；
[0039]
四元麦克风阵列：同步采集音频信号并以wav文件格式传输到云端；
[0040]
三个广角摄像头：将拍摄的照片以jpg格式传输到云端；
[0041]
云端：将传输的音频信号通过gcc模块计算，作为后续声源定位算法的基础，同时将音频信号上传到客户端，将上传的jpg格式照片进行合成全景图；
[0042]
gcc模块：对音频信号的计算，预声源定位，将该算法得到的定位结果作为细化扫描范围的依据，然后在细化后的范围内使用高精度算法进行精确定位，将声源定位的结果与全景图叠加，形成全景声像图并实时上传到客户端；
[0043]
客户端：对音频的接收和全景声像图的接收。
[0044]
将四元麦克风阵列坐标与三个广角镜头的坐标相结合，以一通道麦克风的位置为原点建立笛卡尔坐标系。将声源定位结果与全景声像图像素坐标通过该坐标系进行统一和叠加，实现全景声成像。全景声像图会实时在客户端进行更新，方便用户更加直观的了解设备工况。
[0045]
gcc模块对音频的计算包括以下步骤：
[0046]
第一步：上传到云端的音频文件首先进行gcc对的计算，计算好的gcc对继续进行
时间延迟估计(tdoa)的计算并通过球面插值法实现预声源定位；
[0047]
第二步：按照每90
°
水平角和每180
°
俯仰角进行区间划分，将扫描区间划分为8个区间；
[0048]
第三步：根据预声源定位的结果确定后续精确声源定位的扫描区间；
[0049]
第四步：将gcc结果进行白化滤波处理，之后使用srp算法在确定好的扫描区间中进行精确声源定位。
[0050]
预声源定位实现流程为：设定麦克风阵列坐标(xi,yi,zi)，以及麦克风之间的时间延迟τ12，τ13，τ23，通过位置解算得出声源位置坐标，即(xs,ys,zs)，根据正四面体麦克风阵列拓扑结构，三维空间生源计算公式为：
[0051][0052]
其中di是噪声源到达各个麦克风的声程。
[0053]
正四面体麦克风阵列拓扑结构为：以第一通道麦克风为坐标原点，设空间中任意一点xn的坐标为(xn，yn，zn)，声源s坐标为(xs，ys，zs)；
[0054]
xn与原点之间的声程为：
[0055]
s与原点之间的声程为：
[0056]
设ri1为声源s到达原点与xn之间的声程差，则ri1同时满足两个公式：
[0057]
两个公式相减即为声程差的残差εi：
[0058]
在空间中根据水平角度10
°
，俯仰角度30
°
的间隙，均匀布置扫描点，通过求解所有扫描点εi的最小值，即可得到预声源定位的坐标，确定精确定位算法的扫描范围。
[0059]
精确定位算法采用srp-phat算法，将整个麦克风阵列一次性聚焦在空间中的一个点上，求出该点的可控功率值，当扫描区间中所有点的功率值计算完成后，找出功率值最大的点即为声源所在位置。
[0060]
srp-phat算法具体实现方法为：通过四元麦克风阵列同步采集音频信号并上传到云端，在云端处理器进行滤波去噪，分帧加窗处理，计算各通道之间的互功率谱，并对计算得到的结果进行白化滤波，最后求取该扫描点的可控功率值。
[0061]
多通道采集调理设备的直径15cm，高度10cm，三个广角摄像头呈120
°
分布，嵌入在多通道采集调理设备之中多通道采集调理设备内部封装有respeaker 4mic麦克风拓展版，硬件搭载ac108芯片，可以实现四通道高性能模数转换，保证了4mic数据的一致性，为后续的声源定位提供了良好的数据基础。
[0062]
具体使用时，本发明一种新型四麦克风工业噪声源定位系统，首先四元麦克风阵列同步采集音频信号并以wav文件格式传输到云端，同时三个广角摄像头将拍摄的照片以
jpg格式传输到云端，传输到云端的音频信号有两种使用方式，gcc模块作为后续声源定位算法的基础，第二种是将音频文件上传到客户端，方便用户通过声音判断设备故障的类型，计算好的gcc对首先用于预声源定位，将该算法得到的定位结果作为细化扫描范围的依据，然后在细化后的范围内使用高精度算法进行精确定位，将广角摄像头拍摄的三张照片进行合成，形成一张全景图，将声源定位的结果与全景图叠加，形成全景声像图并实时上传到客户端，让用户更加直观的了解发声点的具体位置。结合下载的音频文件，进一步判断设备的故障类型。
[0063]
在本发明的描述中，需要理解的是，为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0064]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0065]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。