篇一：声源定位设计报告
现代检测技术设计报告
课题名称：基于MATLAB的声源定位系统
专业：自动化
班级：B09072011
组员：张凯 韩述 李晶 黄欣 刘佳雯
指导教师：徐天奇
2012年6月
摘要
确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。
声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位方法不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法的定位精度较低。此外，已有的声源定位方法的运算量较大，难以实时处理。
关键词：传声器阵列；声源定位；Matlab
目录
第一章绪论?????????????????????????????1
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第七章
声源定位系统的结构…………………………………………………………2 基于到达时间差的声源定位原理?????????????????3 串口通信………………………………………………………………………5 实验电路图设计????????????????????????8 总结?????????????????????????????16 参考文献???????????????????????????17
第一章 绪论
1.1基于传声器阵列的定位方法简述
在无噪声、无混响的情况下，距离声源很近的高性能、高方向性的单传声器可以获得高质量的声源信号。但是，这要求声源和传声器之间的位置相对固定，如果声源位置改变，就必须人为地移动传声器。若声源在传声器的选择方向之外，则会引入大量的噪声，导致拾取信号的质量下降。而且，当传声器距离声源很远，或者存在一定程度的混响及干扰的情况下，也会使拾取信号的质量严重下降。为了解决单传声器系统的这些局限性，人们提出了用传声器阵列进行声音处理的方法。
传声器阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列。相对于单个传声器而言具有更多优势，它能以电子瞄准的方式从所需要的声源方向提供高质量的声音信号，同时抑制其他的声音和环境噪声，具有很强的空间选择性，无须移动传声器就可对声源信号自动监测、定位和跟踪，如果算法设计精简得当，则系统可实现高速的实时跟踪定位。
传声器阵列的声音信号处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种不同： （1）传统的阵列信号处理技术处理的信号一般为平稳或准平稳信号，相关函数可以通过时间相关来准确获得，而传声器阵列要处理的信号通常为短时平稳的声音信号，用时间平均来求得准确的相关函数比较困难。
（2）传统的阵列信号处理一般采用远场模型，而传声器阵列信号处理要根据不同的情况选择远场模型还是使用近场模型。近场模型和远场模型最主要的区别在于是否考虑传声器阵列各阵元因接收信号幅度衰减的不同所带来的影响，对于远场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比非常小，可忽略不计，对于近场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比较大，必须考虑各阵元接收信号的幅度差。
（3）在传统的阵列信号处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关，在传声器阵列信号处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声，这些噪声可能和信源无关，也可能相关。
由于上述阵列信号处理间的区别，给传声器阵列信号处理带来了极大的挑战。声波在传播过程中要发生幅度衰减，其幅度衰减因子与传播距离成正比，信源到传声器阵列
各阵元的距离是不同的，因此声波波前到达各阵元时，幅度也是不同的。
另外，当声音信号在传播时，由于反射、衍射等原因，使到达传声器的声音信号的路径除了直达路径外还存在着多条其它路径，从而产生接收信号的幅度衰减、音质变差等不利影响，这种现象称为混响（Reverberation)。混响效应的存在产生了很多不利影响，如所获取的声音质量下降、声源定位的精度严重降低等。
1．2 MATLAB 软件的介绍
MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，它的基本数据单位是矩阵，用 MATLAB 解算问题要比用其他语言完成相同的事情简捷得多， MATLAB 的应用范围非常广， 包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物 学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环 境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 本设计是关于平面声源定位的方针与建模，根据实验要求，我们使用了 MATLAB 软件， 在这次设计中我们通过 Neural Network Toolbox（神经网络工具箱）来解决声源定位建模 与仿真的实验，计算声源的距离和角度。
第二章 声源定位系统的结构
一个完整的声源定位系统由硬件部分和软件部分构成。具体结构如下所述。 硬件结构
完整的声源定位系统的硬件结构如图1.2所示：由一定数目按特定位置摆放的传声器阵列，信号预处理系统，同步数据采集系统和数据处理系统组成。
篇二：在声源定位的算法中,系统提供了四种算法,它们是：
在声源定位的算法中，系统提供了四种算法，它们是：
1. 2. 3. 4. [1]， 平面正方形[1]， [1]， [2]。
【1】归一正方形算法
如图，传感器阵列采用正方形，传感器的位置坐标为（L，L），（-L，L），（-L，-L），（L，-L）。则声源位置（x，y）可由下式算出（式中2L为正方阵的边长，Δt1，Δt2，Δt3分别为传感器2，3，4相对于1的时差，c是传播速度）：
【2】平面正方形算法
如图，正方形排列由x和y轴的传感器对组成，位置坐标为S0=(0，L), S1= (-L，0), S2= (0，-L), S3= (L，0);2L是传感器对的距离。这时声源位置（x，y）可由下式算出（C是传播速度）：
【3】任意平面三角形算法
如图，设传感器阵列的坐标分别为S0=（X0，Y0）=（0，0），S1=（X1，Y1），S2=（X2，Y2）。接收到的时差分别是0，Δt1，Δt2。声源位于（X，Y）或（r，θ），分别是直角或极坐标表示。声波的传播速度是C。
令Δ1=CΔt1，Δ2=CΔt2，
A=X2(X12+Y12-Δ12)-X1(X22+Y22-Δ22)，
B=Y2(X12+Y12-Δ12)-Y1(X22+Y22-Δ22)，
D=Δ1(X22+Y22-Δ22)-Δ2(X12+Y12-Δ12)，
Φ=tg-1B/A，
这时声源位置可由极坐标（r，θ）的形式给出：
【4】修正三角形算法
以任意三角形算法为基础，增加一个传感器S3=（X3，Y3），并设测得的时差为Δt3。在【3】中传播速度C是给定的。现给C一个变化范围（C-ΔC，C+ΔC），且给定速度步长δ。这样，每种速度C+nδ（n=±1，±2，?），均可由三角形算法得到一个声源位置（xn，yn），在这些侯选位置中，真实声源应当满足：
由此，不仅可以确定最佳的声源位置，而且可以获得信号的传播速度解。
注: [1]详细讨论见 Tobias A. Non-Destructive Testing, 1976,(2):9-12 或袁振明 马羽宽 何泽云，《声发射原理及其应用》， 北京:机械工业出版社 1985。
[2] 详细讨论见 饶宇 王成云 梁家惠，声发射源定位教学实验系统，《 第八届全国声发射学术研讨会论文集》（1999.6）167～171。
[索引] [概述] [GPS算法说明]
GPS模拟实验和声源定位不同，其模拟源（“导航卫星”）即发送换能器的位置是已知的，而接收换能器（“用户接收机”）的位置待求。为书写方便，用下标i表示第i个“卫星”的空间坐标（Xi，Yi）和“用户” 接收到它发出信号的传播时间（ti），用（X，Y）表示“用户接收机”位置。于是：
（Xi-X）2+（Yi-Y）2－C2ti2 = 0 （i=1，2，…,n） （2）
当n大于3时，可由最小二乘法导出(X,Y)的最佳值,它们应满足：
F(X,Y,C)=∑[(Xi-X) 2+(Yi-Y)2－C2ti2]2 = min （3）
由此可获得X，Y ，C应满足的一组代数方程：
这是一个三元的非线性代数方程组，可通过计算方法（例如迭代法）求得数值解。如果声速C已知，获得的将是一组二元代数方程；若C未知，而且需要考虑钟差修正（发送换能器发出声脉冲的时间不能严格确定），则获得的是一组四元代数方程（n>4）。
本系统软件没有提供具体的程序和结果显示。
[索引] [声源定位的算法说明] [操作说明]
篇三：基于STM32的声源定位装置
目 录
1 前言 ................................................................... 1
2 总体方案设计 ........................................................... 3
2.1 方案比较 ............................................................. 3
2.1.1 声源信号产生方案 ........................................... 3
2.1.2 声源的选择 ................................................. 3
2.1.3 坐标解算方案 ............................................... 4
2.2 方案选择 ............................................................. 4
3 单元模块设计 ........................................................... 6
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 ......................................... 6
3.1.1 555构成的多谐振荡器电路 .................................... 6
3.1.2 电源电路设计 ............................................... 7
3.1.3 自动增益控制电路设计 ....................................... 7
3.1.4 有源二低通滤波电路 ......................................... 8
3.1.5 有源二阶高通滤波电路 ....................................... 9
3.1.6 STM32F103最小系统电路 ..................................... 10
3.1.7 液晶显示电路 .............................................. 11
3.1.8 电平转换电路 .............................................. 12
3.2 电路参数的计算及元器件的选择 ........................................ 13
3.2.1 电源电路参数的计算 ........................................ 13
3.2.2 555定时器外围元件参数的计算 ............................... 14
3.2.3 音源坐标位置的计算 ........................................ 15
3.2.3 元器件的选择 .............................................. 17
3.3特殊器件的介绍 ...................................................... 19
3.3.1 STM32F103单片机介绍 ....................................... 19
3.3.2 ILI9320液晶简介 ........................................... 21
3.3.3 VCA810简介 ................................................ 24
4软件设计 .............................................................. 26
4.1软件设计开发环境介绍 ................................................ 26
4.1.1编程软件开发环境介绍 ....................................... 26
4.1.2绘图软件开发环境介绍 ....................................... 27
4.2软件设计流程图 ...................................................... 28
4.2.1主程序流程图 ............................................... 28
4.2.1液晶初始化流程图 ........................................... 29
4.2.2 ADC初始化流程图 ........................................... 30
5系统调试 .............................................................. 32
6系统功能、指标参数 .................................................... 33
6.1系统实现的功能 ...................................................... 33
6.2系统指标参数测试 .................................................... 33
6.2.1带通滤波器的频率响应 ....................................... 33
6.2.2 555定时器构成的多谐振荡器测试 ............................. 35
6.2.3 STM32 ADC电压采集测试 ..................................... 35
6.2.4 VCA810电路测试 ............................................ 36
6.3系统功能及指标参数分析............................................... 38
7结论 .................................................................. 39
8总结与体会 ............................................................ 40
9 谢辞 .................................................................. 42
10参考文献 ............................................................. 43
附录 .................................................................... 44
附录一：部分原理图 ...................................................... 44
附录二：部分PCB图 ...................................................... 45
附录三：核心代码 ........................................................ 46
附录四：实物图 .......................................................... 51
附录五：外文资料翻译 .................................................... 52
1 前言
随着时代的进步，信息产业的发展也是越来越快，特别是在计算机和通讯方面的发展，给人们的生活带来了诸多方便。随着雷达随着雷达侦测技术的兴起，声定位技术曾一度遭到冷冻，法军和美军分别于70年代80年代取消了声测侦察。近年来，由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁，越来越容易遭受攻击。因此，人们又开始重视被动式传感器，重新激起对声测技术的兴趣。声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是：
（1）不受通视条件限制。可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。
（2）隐蔽性强。声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。
（3）不受能见度限制。其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。
声源定位在战场之外也同样具有广泛的应用前景，它可用于电话会议系统、视频会议系统、可视电话等系统中的控制摄像头和传声器阵列波速方向对准正在说话的人；也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理，以提供高质量的声音信号，提高语音及说话人识别软件的识别率；亦可用于强噪声环境下的声音获取、大型场所的会议记录，以提高声音拾取质量；还可用于助听装置中，更好地为耳障患者服务等。
本文所设计的基于STM32的声源定位装置，通过555定时器构成的多谐振荡器，分别产生1KHZ的方波信号，然后为了便于ADC的采样，使输出信号在一定范围内，我们将该方波信号分别送入自动增益控制电路中进行放大。在接收端，我们采用固定的四个坐标点，分别测量声源与各自的相位差，主要是通过柱体极话筒接收发射来的方波信号，然后经过由NE5532形成的带通滤波器进行滤波，最终送入ADC转换器，然后通过相应的算法计算出声源的具体位置。
本文从硬件和软件两个方面入手，其中涉及到了声学、机械能和电能之间的相互转换、电子线路、数字信号处理、软件设计和算法设计等多个技术方面的领域，特别是在声音信号的坐标位置确定过程中，牵扯到了解方程组的知识，且为了降低系统的误差，我们多设计了一个测量点求其平均值，使其成为了超定方程组，更好地达到了设计的要求。
声音是人类常用的工具，是传递和获取信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，就可以判断出物体的方位。现在，人类已经进入信息化时代，声源定位技术的研究，使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息，这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。
2 总体方案设计
在无噪声、无混响的情况下，声源距离越近，接收到的幅值当然也就越高，这就有可能使信号输出的幅值超出ADC采样的范围，从而给测量值带来很大的误差。本次设计由于有两个声源位置，因此必须要对他们所产生的信号进行很好的处理，这样才有可能较为准确的计算出声源的坐标。声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、全天候工作等特点，但是由于周围复杂的环境，想要十分精确的确定某一声源的位置，还是相对困难的。因此，必须采取一个妥善的实施方案。另外，在设计中我们必须遵循项目设计的原则，分析项目需求，从而实现最优化。
2.1 方案比较
2.1.1 声源信号产生方案
方案一：用常用的STC89C51单片机来产生500HZ的方波，利用单片机背部定时器溢出中断次数达到我们所设计的值时，就将相应的I/O引脚状态取反，这样就产生了占空比为50%的方波音源信号。
方案二：用NE555构成的多谐振荡器来产生频率为500HZ的方波信号作为声源信号。它的原理是用内部定时器来构成时基电路，外部通过简单的电路配合所需要的信号，该电路搭建简单，原理容易理解，电路中的元器件参数也比较好计算。
方案比较：在方案一中，用单片机产生的方波，虽然程序设计比较简单，但是硬件电路搭建比较麻烦，而且所利用的单片机资源太少，这样就显得浪费，并且性价比很低。方案二中，虽然由555产生的方波信号不是很稳定，但是整个电路设计简单，方便调试，555定时器价格便宜，性价比较高。因此选择方案二。
2.1.2 声源的选择
方案一：采用低音扬声器作为声源。扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件。将单片机产生的频率为500Hz的信号接在扬声器的接收端，扬声器能发出强度比较大的声音信号。
方案二：采用无源蜂鸣器作为声源。无源蜂鸣器在提供一定频率的方波震荡源时，能够发出声音。试验中用无源蜂鸣器发声时，声音比较清晰，但声音强度比扬声器稍弱。
方案比较：两种器件发出的声音都能被接收端检测出来。方案一中，扬声器需要消耗较大的功率，结合现代社会电子产品低功耗的要求，这样就浪费了能源。方案二中，蜂鸣器是一种低功耗的器件，而且是我们经常使用的声源，价格也很低廉，也能达到设计的要求。因此选择方案二。
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