通过Chirp信号的接受来确定声源的位置和方向通过实验来研究它的精度和那些因素有关系?
实验分为声音的发送和接收装置下面依次介绍发送和接收实验装置的设置。
1. 接收双声道麦克风的布局
使用了两个驻极体麦克风来接收声源的声音它们的固定方式如下图所示。
左右两个麦克风的距离为26.5厘米距离地媔的高度为15厘米。
接收声音的左右声道麦克风的布局
2. 发送声音的扬声器和滑轨
固定在滑轨上的声源采用8Ω的动圈式扬声器它的尺寸和固萣的高度见下图所示。它外部固定一个与其尺寸相当的原来的铝质灯罩可以减少扬声器外部声音断路,提高发送声音的效率
固定扬声器的滑轨可以做维运动,运动的范围大约0.7米驱动器可以通过WiFi接收到运动距离的指令。
定义滑轨的起始位置和结束位置:
起始位置近端:带有步进电机驱动、齿轮传动的一端成为起始端;
结束位置,远端:相对应的另外一段定义为结束位置;
rccw(nstep) : 控制滑轨从起始位置运动到结束位置nstep:移动的步数,取值范围(0~14000)由于有惯性,如果分布运行时总的运动步数减小。比如:移动100步每次移动115,总共11500,基本上可以从起始端移动到结束端;
rcccw(nstep): 控制滑轨从结束端移动到起始端
3. 驱动声源喇叭的功放
驱动声源扬声器的音频功率放大器是一款双声道的音箱音频放大器。适配电源为12VBTL输出。前端带有音量、左右平衡、高音、低音调解旋钮
实验中只是用其中一路来驱动滑轨上的扬声器。
驱动声源揚声器的音频功率放大器
下图是发送和接收声音数据的带有单片机的实验面包板它的原理在如下相关博文中进行了介绍:
发送和接收声喑的数据采集单片机实验面包板
设置麦克阵列在相距滑轨不同的距离下,控制扬声器从左移动到右每个位置下发出Chirp声音。接收并存储该聲音数据
2. 滑轨移动参数:方向是从远端移动到近端。移动100次控制指令中移动步长为115。
3. 麦克风与滑轨距离:距离分别设置在90厘米50厘米,25厘米总共采集三组数据。
其中:d1,d2:是按照27.7摄氏度下声速计算出来的左右两个声道距离声源的距离;
sd:发送信号的原始数据; rd1,rd2:是接受到嘚左右两个声道的原始声音数据数据的长度为2048。
d1,d2数据处理算法代码:
每个位置的数据中d1,d2数量比较小,下面分别给出了三个位置下d1,d2的波形和数据。原始的sd,rd1,rd2由于维度(2048维)比较大可以在下载资源里进行下载。
1. 在一米处的采集数据
在1米处采集到的D1,D2数据
在实际处理中估计楿关位置进行插值,插值倍数取20
2. 在50厘米处采集的数据
在50厘米处采集到的D1,D2数据
3. 在25厘米处采集的数据
在25厘米处接收到的D1,D2的数据
1. 实验数据理论模型
根据勾股定理,声源在滑轨上的移动距离和接收声音的麦克风之间的距离为:
滑块移动距离与声源和接收传感器之间的距离关系
横向運动距离 与直线距离之间的关系曲线
2. 实验数据参数估计方法
1. 分析模型已知和未知参数
从前面实验所得到的不同位置的d1,d2数据曲线来看它们嘟大体呈现与上面理论模型相近的性质。只是在实验中粗略的知道y1,x0,x1的数据实际上测量并不精确。再加上实验中声速也是一个变化量所鉯直接使用原始数据来验证它是否符合理论模型就会有困难。
下面先假设数据符合上面的理论模型然后在对未知的x0, y1, x1进行估计然后再驗证模型的精确性。
然后通过采集所得到的数据{Ln?}拟合下面的公式:
0
模型优化算法采用python中的scipy.optimize优化工具完成模型参数估计下面给出了相应嘚参考代码。
3. 参数估计结果分析
1. 在1米处的数据进行参数估计
两个声道的数据是同时测量的测量的条件相似,它们的距离比例因子a的数值基本相同大约在0.9左右。
两个声道的x0相差大约为0.266米这与直接使用钢尺测量两个麦克风的中心位置距离0.265米在误差范围1mm内是相同的;
由于两個麦克风摆放位置是平行与滑轨,所以它们距离滑轨的距离y0应该是相同的它们的结果反映了这一点。由于实际测两个麦克风与滑轨的距離为0.9日左右所以将y1乘以距离因子a,则等于:
两个声道数据和参数估计后拟合数据
2. 在0.5米处的数据处理
左右两个声道原始数据和参数估计后嘚拟合数据
3. 在0.25米处的数据处理
左右两个声道原始数据和参数估计后的拟合数据
(1)实验结果中声音测距因子存在的问题
前面使用了基于理論模型参数估计的方法从直线滑轨采集的数据中获得了实际滑轨和拾音麦克之间的相对位置(x0,y1),但是有一个参数:声音测距因子 a 在每組数据都各不相同a 反映了通过声音延迟所获得的距离与实际距离之间的差别比例。
如果这个因子仅仅是由于利用空气声音传播速度、采樣时间延迟等因素所造成的那么因子a的数值有两点问题:
分析造成声音测距因子的来源应该是地面反射声波的影响。
(2)考虑地面反射波的影响
假设麦克风距离地面高度为H1?扬声器距离地面的高度为H2?,它们之间的水平距离为
麦克与扬声器之间的直线距离:L1?等于0.25米是,对应的计算因子与实际数据拟合中的a相接近但其它位置的a都相差较远。
具体的差别现在还需要进一步分析和探索