1. 概述

       本方案可以对超过一定声压级限值的户外声源（比如爆炸点定位）进行识别定位，该声压级限值所对应的频率范围可以由用户设置。

 

2. 方案优点

       ▲采用MEMS传声器，精度高，稳定性好，一致性较好；

       ▲体积小、重量轻、便于携带；

       ▲功耗低、有后备电池，方便户外作业；

       ▲优化算法、实时性强；

       ▲事件坐标信息（声源x、y方向的坐标信息）以及原始录音实时传输；

 

3. 系统组成，工作原理

       整套设备由AHAI2001-1s传声器阵列（传声器阵列由至少40个传声器组成），传声器阵列采用多10个小型化的分布式系统组成，AHAI2021采集器（40通道以上），工业计算机，分析软件组成。分析软件分别对信号进行预处理，如滤波等，再通过两两通道之间做广义互相关等手段估计时延，最后根据TDOA定位技术实现声源的空间定位，M为单个小型传声器阵列，如下图中的由图所示。

注：传声器阵型和个数可以根据实际情况变动

 

       TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达传声器的时间，也就是距离差，利用两个传声器的距离差可确定一条双曲线，多个双曲线在空间位置的交叉点就是声源的距离。

3.1 爆炸声的识别

对采集到的声音进行时域分析，首先计算背景噪声随时间变化的平均幅度，设定触发声级高于背景噪声声压级，以便使大部分背景噪声不会被认为是爆炸声源，另外爆炸声源一般为脉冲声，且有一定的持续时间，通过设定一定长度的超限时间增加判断依据。另外研究爆炸声的频谱特性，确定主要的频带范围，对采集到的原始波形进行滤波，保留主要声源特性，同时减小环境噪声的干扰。

3.2 互相关延时估计

       TDOA的核心就是估计传声器对之间的延时，通过求不同路信号的户型给函数的峰值所对应的时间横坐标的值，从而得出时间延时估计的值。估计时延的互相关方法也比较多，常用的是广义互相关函数法，采用不同的加权方式适用于不同的场景。

       假如有M个传声器，则传声器对有 N=  M * (M-1)/2 个传声器对，对于每个传声器对来说，假设声源来的方向可以预估延时用公式表示如下：

t_d=（ d/c）* sin⁡φ

式中，d代表传声器之间的距离，c为声音传播的速度， φ为声源传播的角度。

3.3 单个小型阵列定位原理

       以单个立体小型传声器阵列为例，假设M个传声器，则通过上面的公式进行估计TDOAτ_ij。通过传声器

       通过假设声源来自不同的角度θ和φ ，每一组角度就有N=  M *(M-1)/2个延时，则形成一个预估的延时矩阵

       而同时，通过采集到的M个通道的声音，通过互相关法估计实际的测量到的N个延时向量

       将实际测量得到的延时向量与预估的延时矩阵进行比对，得出均方差最小的一组角度θ和φ，则说明该声源位于这个方向。

3.4 多阵组合定位原理

       用两个传声器阵列（双阵为例），将每个阵列看作一个点，每个点可以确认一组表示声源方向的角度θ和φ，而假如有L个小型麦克风阵列，则可以得到L组θ和φ，其中声传感器阵列B₁测得的方位角为φ_s1, 俯仰角为θ_s1；声传感器阵列B₂测得的方位角为φ_s2 , 俯仰角为θ_s2。传感器B₁的坐标原点在全局坐标系中为 (x1,y1,z1)，传感器B₂的坐标原点在全局坐标系中为 (x2,y2,z2)。通过两条不同方向的直线可以确定一个相交点，则这个点是声源的位置 S(x,y,z)。

       通过求解方程，可以得出声源的位置。

3.5 软件功能

       用户可设置目标声源的主要频带并设置声压级限值大小，一旦声压级超标，就可以启动定位功能，并将原始波形文件保存。在获取定位信息后，将定位信息和原始波形一起传给用户。

       ▲声学分析：声压级随时间变化的曲线、FFT分析、声源定位信息等。

       ▲软件开发语言： C++

       ▲GUI框架：QT

       ▲涉及到的一些技术：多线程编程、网络编程

 

4. 主要性能指标

4.1 TDOA声阵列：AHAI 2001-1s

指标	参数	备注
频率范围	10Hz - 16kHz
动态范围	(30 - 120) dB
供电方式	ICP 2~10 mA
传声器数量	4-8	单个传声器阵列
工作温度	- 40°- 50°
外形尺寸(不含支架)	阵列基线＜1 m

 4.2 AHAI2021 采集器

指标	参数	备注
通道数	40通道	可扩展至80
采样频率	48k Hz	最大支持64 kHz
相位差	<0.1°	1kHz处
本底噪声	<0.03mVrms @±1V量程
动态范围	大于100 dB
工作温度	- 40°- 50°
外形尺寸	200×120×40mm

 4.3 声源定位 

指标	参数	备注
水平方向距离定位误差	RSME 5米	定位精度取决于信噪比

 

5. 配置清单

序号	产品型号	主要功能	数量
1	AHAI2001-1s传声器阵列	4-8个通道的声信号转电信号。	10
2	AHAI2021	40个通道的电信号高速同步采集	1
3	声源定位软件	计算声源位置	1
4	高性工业计算机	含正版windows操作系统	1

 

 方案设计： 分布式小型化传声器阵列，每个小型传声器阵列成为一个布点，一般由3个以上传声器阵列组成。