對麥克風的原理研究畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 中心同樣是通過均值的迭代運算來決定的，但ISODATA算法還加入了一些試探步驟，能自動的進行類的合并和分裂，從而得到類數較合理的聚類結果，從而實現了多個聲源定位。 聲源方向角估計的模擬仿真本節將應用角度距離定位法確定二維平面中近場聲源的方向角。在這里為簡化方向角估計過程，假定所給出的聲源與麥克風陣列的距離是已知的。 仿真條件與結果計算機仿真中，假定由4個麥克風組成等間距線陣列接收近場聲源發出的聲音，如圖36所示。圖36 二維平面麥克風陣列近場模型Fig. 36 2D microphone array nearfield model設聲源發出的聲音信號為500Hz的單頻正弦波信號，麥克風接收到的信號為該聲音信號與高斯白噪聲疊加后的信號。設采樣頻率=10 KHz，陣元間距=4 cm，聲源與麥克風陣列(參考麥克風) m、 m、 m、 m和1 m，聲源與麥克風陣列的夾角分別設為30176。、176。、45176。、176。、60176。和75176。仿真中采用互功率譜相位法來估計麥克風1～4之間的時間延遲，采用上一節中提到的角度距離法來估計聲源的方向角。則在近場模型下，估計出的方向角如表31所示：表31 聲源方向角估計Table 31 Sound Source DOA estimates 方向角/176。 距離/m304560751在各個距離和角度下，估計出的方向角與理論上的方向角的絕對誤差如圖37所示。圖37 近場球面波前方向角誤差曲線Fig. 37 Nearfield spherical wavefront direction angle error curve從圖中可看出，在方向角為30176。， cm時，所測方向角具有較大的誤差(176。)，隨著角度的增大誤差逐漸減小，當角度增大到一定度數時，誤差變化較小。此外，從圖中還可以看出，隨著聲源與麥克風陣列距離的增大，誤差具有明顯的下降，但到一定距離時，誤差變化也非常小。這表明，雖然是近場情況下，但對聲源與麥克風陣列之間的距離也有一定的要求，距離太近則誤差較大，距離太遠則超出近場條件，陣列模型逐漸轉向遠場模型。為使測量結果具有較小的誤差，聲源與麥克風陣列之間的距離應不大于。 算法改進由于在近場情況下，到達波前為球面波，不但需要考慮麥克風接收信號的相位差，還要考慮信號的幅度差異。近場情況下，按原有方向角估計算法估計出的方向角存在較大的誤差，故提出一種改進方法。已有文獻提出在近場情況下，每個麥克風接收信號的電壓比等于聲源到每個麥克風之間的距離倒數比的平方[51]，故提出以聲源到每個麥克風之間的距離與參考距離(聲源到陣列中心)倒數的比，即每個接收信號電壓比的平方根作為對所估計角度的修正因子。設每個麥克風接收信號的電壓為，則有： (344)由于 (345)將式(345)代入式(344)可得： (346)故 (347)設每個信號與參考信號之間的時間延遲為,則由近場模型方向角估計公式可求得近似方向角。用表示該比例系數對估計方向角的修正，即 (348)用該方法得到方向角比原有的方法更接近于實際的角度。為驗證這種方法的正確性，模擬仿真如圖38所示。從圖38中可以看到，用該方法改進后的誤差下降程度雖然較小，但與改進前相比，在所有測量角度上，誤差都有所減小。隨著距離的增大，誤差減小程度也逐漸變小。這是由于隨著距離的增大，球面波前逐漸轉化為平面波前，平面波前只需考慮接收信號的相位差而將各接收信號的幅度近似相等，故誤差減小程度也有所下降。圖38 改進前后近場球面波前方向角誤差曲線Fig. 38 Nearfield spherical wavefront direction angle error curve after improving 本章小結本章首先討論了基于麥克風陣列的近場和遠場模型。當聲源與陣列的距離較遠時，該近場模型可以簡化為遠場模型。其次討論了麥克風陣列的拓撲結構并給出了麥克風陣列結構設計的一般原則。然后討論了幾種基于時間延遲的定位方法。最后針對其中的一種方法進行了模擬仿真并提出了修正方法。根據選用模型(遠場模型還是近場模型)合理的選擇聲源與麥克風陣列之間的距離對正確估計方位角是十分重要的。19第4章　近場聲源定位實驗第4章 近場聲源定位實驗通過前幾章對各種時延估計方法和定位方法的詳細討論，本章以嵌入式系統為基礎，開發了一個簡單可行的二維聲源定位實驗裝置。該實驗系統使用4個全指向麥克風、4路前置放大電路及EasyARM2119實驗板的4個A/D采樣端口一起組成了一個4路同步聲音采集系統，并在EasyARM2119實驗板中植入聲源定位算法程序，就構成了一個完整的二維聲源定位系統實驗裝置。在該實驗裝置中，嵌入了一種適合實時，且具有較高精度的定位算法。該算法采用時延估計、幾何定位兩階段策略。在時延估計部分采用第二章中提到的互功率譜相位法估計時間延遲，然后用角度距離法定位出聲源的位置。，使用C語言編寫完成。本實驗裝置具有較高的定位精度，并適于實時確定聲源的位置。聲源定位裝置的硬件部分和軟件部分如下面所述。 聲源定位實驗系統硬件結構設計本文所設計的聲源定位實驗系統硬件結構由聲源、4個按一定位置放置的麥克風、前置放大電路、一塊具有4個A/D采樣通道并可進行計算的EasyARM2119實驗板、RS232串口通訊線和上位機等幾個模塊組成。圖41是該聲源定位實驗系統的原理框圖。圖41 聲源定位系統硬件結構框圖Fig. 41 Source sound localization system hardware structure char下面幾節將具體介紹該聲源定位系統的實現原理，各硬件單元介紹及各部分軟件結構設計。 聲源定位實驗系統實現原理聲源發出的聲音信號經麥克風轉換為電信號，經前置放大電路放大到采樣端口的輸入電壓信號范圍后傳輸至EasyARM2119實驗板的A/D采樣端口進行A/D轉換。在EasyARM2119實驗板中將采集的數據做一些預處理后直接進行計算，并將計算后的結果通過串口通信電路發送至上位機，上位機通過界面軟件實時顯示聲源的方向角。 各硬件單元介紹 聲源及其特性本文所應用的聲源為從某揚聲器中發出聲音的聲源，在文獻[52]中該聲源可描述為脈動球源，即均勻振動的球面聲源。可以用點源(小脈動球源)的組合來處理任何復雜的面聲源。設半徑為的球體，其表面作均勻的微小漲縮振動，即半徑在附近微量簡諧變化，向周圍的媒質輻射聲波，如圖42所示。圖42 脈動球源示意圖Fig. 42 Pulsantion spherical source sketch map根據文獻[52]，可得該球源輻射電壓為：， (41)式中：和分別為： (42) (43)為媒質密度，本論文中媒質為空氣，在標準狀態下；為聲波速度，在標準狀態下；為球源表面振動速度的幅度值；為球源表面振動的初相位角；，為聲波波長。點聲源：可以認為，比聲波波長小很多，是滿足條件的脈動球源。此時約為，則式(41)為： (44)式中：，為小脈動球的體積速度幅度值，通常稱為點源強度。對上式(44)整理可得： (45)式中：，，即當聲源為點源，在密度為，聲波速度為的媒質中，聲場(壓強)的分布如式(45)所示。可以看出，在媒質中傳播時，聲壓與傳播距離成反比。 麥克風及其工作原理 麥克風(又稱聲波接收器、聲傳感器或傳聲器)的種類繁多，按照接收聲波的原理來分，有壓強式麥克風、壓差式麥克風、壓強與壓差復合式麥克風和利用多聲道干涉原理設計的麥克風等。按照指向性可分為全向、心形指向和超心形指向等。依照內部結構的不同，分為動圈式和電容式等[53]。不管利用哪一種接收原理，麥克風主要接收聲場中的聲壓。用于定位系統的麥克風，一般選擇全向、電容式麥克風。理論分析時，均假設麥克風的體積遠遠小于陣列間距，從而可以將麥克風近似成一個點。壓強式駐極體麥克風[54～56]以其使用簡單、性能優良的特點在錄音，噪聲測量等場合得到廣泛的應用。在我們的聲源定位系統中，采用4個獨立的駐極體麥克風采集聲源發出的聲音信號并將聲音信號轉變為電壓信號。駐極體麥克風內部等效電路如圖43所示。其中圖43(a)為以JFET為阻抗轉換器的駐極體麥克風電路；(b)為以MOSFET為阻抗轉換器的駐極體麥克風電路。圖43 駐極體麥克風電路Fig. 43 Electret microphone circuit可動的駐極體電容在外界的聲壓作用下振動，產生交流電壓信號。麥克風內部集成了一個場效應管(FET)，用來放大駐極體電容產生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極或者漏極輸出信號，實現阻抗轉換。這個FET是JFET或者N溝道耗盡型MOSFET。在集成了JFET的麥克風內部，JFET的源極還有一個電阻，以提供JFET正常工作所需的負偏壓。而集成MOSFET的麥克風，則不需要在源極接電阻就可以工作。圖44說明了使用兩種不同場效應管的麥克風電路結構。設麥克風輸出信號為或。考慮到電源噪聲的作用，兩種麥克風的中低頻交流小信號模型分別如圖44所示。圖44 駐極體麥克風電路交流小信號模型Fig. 44 AC small signal model of electret microphone circuit在圖44(a)中有 (45) (46)由式(45)、(56)可得到： (47) (48)在圖44(b)中有 (49) (410)從以上可以看出電源噪聲不能夠影響，但會直接疊加到。所以最好將接到前置放大器放大。在使用麥克風時，應注意聲源和麥克風的距離。若聲源相距過遠，則麥克風輸出電壓低，噪聲電平相對提高；若距離太近，則低音太重，聲音模糊不清，麥克風容易過負荷而使輸出嚴重失真。聲源也應盡量對準麥克風陣列。 前置放大電路 前置放大電路置于麥克風附近，放大麥克風的輸出信號通過傳輸線供主機處理。主要作用為：(1)為高阻抗麥克風與低阻抗傳輸線之間提供阻抗匹配，以防信號衰減；(2)通過放大微弱的輸入信號，以改善對噪聲有關的信噪比；(3)通過差動放大，降低由麥克風及傳輸線引進的共模電噪聲。前置放大器的主要性能[57]包括：(1)信噪比：由于前置放大電路處于系統的前端，并且其輸入信號常常是微弱信號，易受外界噪聲干擾，對電路的電氣噪聲也很敏感，因此其信噪比高低對整個系統起決定性作用。(2)增益：通常提供40dB固定增益。有的還備有20dB和60dB附加增益，以適應不同的用途。(3)頻率范圍：放大器本身具有較寬的頻率范圍，通常約為20～20kHz。本聲源定位系統中選取集成運算放大器LA3210[58]和其外圍電路組成前置放大電路來對麥克風輸出的信號進行放大。LA3210是低噪聲音頻均衡前置放大電器，內設自動電平控制(ALC)電路，其ALC作用范圍寬、噪聲低、電壓調節特性較好。LA3210 工作電壓為5V，閉環和開環電壓增益分別為35dB和69dB，負載阻抗=，頻率范圍為100～10kHz。其內部方框圖為圖45所示。圖45 LA3210內部方框圖Fig. 45 Inside pane chart of LA3210其外圍接口電路[59]如圖46所示。圖46 前置放大電路Fig. 46 Prepositive magnify circuit經麥克風轉換后的電信號，經前置放大電路放大到采樣端口的輸入電壓信號范圍后，傳輸至EasyARM2119實驗板端口、和即A/D采樣端口進行A/D轉換。這里只給出了一路信號的前置放大電路，其它幾路相同。 EasyARM2119實驗板簡介 EasyARM2119實驗板簡介是一款32位ARM單片機實驗板，采用的是PHILIPS的ARM7TDMIS核單片機LPC2119，具有JTAG調試，ISP編程等功能。板上提供了一些鍵盤、LED、RS232等常用功能部件，幫助用戶學習32位單片機從簡單的開始，一步一步的過渡到32位ARM嵌入式系統開發領域[60]。LPC2119是世界上首款可加密的ARM芯片，具有零等待128K字節的片內FLASH，16K的SRAM，無需擴展存儲器，使系統更為簡單、可靠；內部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC、定時器、CAN等眾多外圍部件，功能更強大；64管腳LQFP封裝，體積更小；，內部PLL時鐘調整，功耗更低。 聲源定位實驗系統軟件結構本文所設計的聲源定位實驗系統軟件結構如圖47所示。軟件部分分別包括A/D端口初始化設置子程序、4路信號A/D采樣子程序、時間延遲估計子程序、聲源方向角定位子程序、串口通訊UART0子程序和上位機界面軟件等。除上位機界面軟件外，用C語言編寫其余的所有程序。圖47 聲源定位實驗系統軟件結構框圖Fig. 47 Source sound localization experiment system software structure char 實驗運行步驟首先，將以某一特定距離(如=10 cm)排列的4個麥克風組成均勻線陣列，采集