一种圆阵列声源定位可视化系统及方法技术方案

一种圆阵列声源定位可视化系统，其特点是，包括：在圆心为O，半径为r圆上均布设置16个传声器；视觉采集模块是在圆心O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，工业相机与上位机电连接，数据采集模块为数据采集卡与16个传声器输出端电连接，数据采集卡与上位机相连，数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小。还包括声源定位方法。能够得到角度搜寻范围，避免伪峰的出现；采取变步长功率谱峰搜寻角度，逐次逼近声源角度，提高精度和减少计算次数；根据坐标逆映射计算像素点对应下的角度及其声强功率大小进行图像处理完成图像融合，实现声源可视化。

A Visualization System and Method for Sound Source Location with Circular Array

【技术实现步骤摘要】
一种圆阵列声源定位可视化系统及方法
本专利技术的技术涉及声源定位领域，是一种圆阵列声源定位可视化系统及方法。
技术介绍
现有技术中，核电厂设备的运行状况愈加复杂，故障原因也越来越多，依赖人工经验进行设备故障检测愈发困难，因此设备故障自动检测技术越来越重要。而声学检测技术以其自身的非接触式特点，逐步受到了核电企业的重视。由于故障机械设备在运行中总伴随有机器噪声产生，这些噪声信号包含着机械设备运行的故障信息，因此可以通过机械噪声对设备进行故障声源定位。现有的声源定位装置中，大多数是立体结构，例如中国专利申请号201710362998，名称为：“基于四元正交麦克风阵列的稳健声源定位方法”所使用的麦克风阵列为正四面体结构，这就导致装置体积大、阵列结构复杂、不易移动运输、易发生碰撞损坏；其次，目前的声源定位系统由于运算复杂，无法满足实时性的监测要求；声源定位系统只能以数字形式量化表示声音的位置信息，无法直观展现声源的具体位置及声音强度信息，可视化程度低、实用性差。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种圆阵列声源定位可视化系统及方法，以实现对声源的实时定位，并以可视化的方式展现声源的具体位置及声音强度信息。实现本专利技术的目的采用的技术方案之一是：一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它包括：在圆心为O，半径为r圆上均匀分布设置16个传声器；一视觉采集模块，所述视觉采集模块包括：在位于圆心为O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，所述工业相机通过USB线与上位机电连接，并将采集的视觉信息上传给上位机；一数据采集模块，所述数据采集模块为数据采集卡，数据采集卡通过信号线与16个传声器输出端电连接，数据采集卡通过USB线与上位机相连，将传声器采集的声音信号以电压值输出给数据采集卡，数据采集将电压信息上传给上位机；一数据处理模块，所述数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小。实现本专利技术的目的采用的技术方案之二是：一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它的声源定位方法的内容包括：1)获取第5传声器接收的数据x5、第13传声器接收的数据x13，假设第13传声器相对于第5传声器的时延为τd，计算第5传声器、第13传声器接收数据的互相关其中，E[·]为期望；计算取得最大值时τ的值，得到时间差τ；根据时间差τ的正负判断声源所处象限，确定方位角搜寻范围，若时间差为正，方位角搜寻范围为180°～360°，若时间差为负，方位角搜寻范围为0°～180°；计算传声器收到声音信号的傅里叶变换，求出声源信号的主频f；计算出声源信号的波长λ＝c/f；计算角度为θ,时传声器阵列的矢量矩阵其中，θ为仰角，为方位角，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚部，γm＝2πmM，m＝0,1,…,M-1为第m个传声器；M为传声器数目，r为半径，λ为声源波长；计算该角度下的传声器阵列的输出y(t)：其中，为第m个传声器在角度为下的转置，xm(t)为第m个传声器采集到的声音数据；计算角度为θ,下传声器阵列的输出功率其中，为的转置，矩阵R为阵元输出x(t)的协方差矩阵，即R＝E[x(t)x(t)H]，E为期望，x(t)H为x(t)的转置；2)变步长功率谱峰搜寻角度取初始角度搜寻步长step1为20°，获取功率谱最大值Pmax1；重新在最大值Pmax1对应角度θ1,下划定搜寻范围θ1±30°,取第二次搜寻步长step2为1°，获取第二次搜寻功率谱最大值Pmax2；再次在最大值Pmax2对应角度θ2,下划定搜寻范围θ2±2°,取第三次搜寻步长step3为0.1°，获取第三次搜寻功率谱最大值Pmax3对应的角度θ3,即为声源位置角度；3)坐标逆映射实现声源可视化选取第1传声器、第5传声器、第9传声器、第13传声器，坐标分别为A1(r,0,0)，A2(0,r,0)，A3(-r,0,0)，A4(0,-r,0)，声源到达第1传声器的时间为τ1，声源到达第5传声器的时间为τ2，声源到达第9传声器的时间为τ3，声源到达第13传声器的时间为τ4，则声源到达传声器之间的时间差为τij(i,j＝1,2,3,4)，声速为c，计算声源距阵列中心的距离l：计算球坐标系下的坐标对应世界坐标系下的坐标(x,y,z)：根据标定算法计算内参矩阵A：其中，F为相机焦距，dx为实际像素在横轴方向大小，dy为实际像素在纵轴方向大小，u0横轴中心像素，v0纵轴中心像素；根据标定算法计算相机外参矩阵M：其中，Rrotate为旋转矩阵，T为平移矩阵，由实际坐标系建立方式获得；计算世界坐标系下的坐标对应的像素坐标系下的像素坐标(u,v)：其中，Zc为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Zc＝z；以声源的像素坐标为基准，划定搜寻范围u±50,v±50，逆映射到对应的角度，计算该角度下的阵列输出功率，得到相应像素坐标下对应的阵列功率；读取视觉采集模块采集的照片，对功率谱图透明化处理，相对应像素叠加到视觉照片上，完成声源可视化。本专利技术的一种圆阵列声源定位可视化系统及方法，根据本专利技术系统的结构特点，通过判断声源到达所述传声器先后确定声源所处的象限，进而得到角度搜寻范围，避免了伪峰的出现；其次，采取变步长功率谱峰搜寻角度，逐次逼近声源角度，在提高精度的基础上减少了计算次数，提高了系统的实时性；最后，根据坐标逆映射计算像素点对应下的角度及其声强功率大小，然后进行图像处理完成图像融合，使得故障声源的位置可以在场景照片中得以展现，即实现了声源可视化。附图说明图1是一种圆阵列声源定位可视化系统结构示意图；其中，1是第1传声器，2是第5传声器，3是第9传声器，4是第13传声器，5是支撑架，6是电源，7是数据采集卡，8是上位机。图2是步长为20搜索结果图；图3是步长为1搜索结果图；图4是步长为0.1搜索结果图；图5是一种圆阵列声源定位可视化系统实现流程图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案做详细描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。参照图1，一种圆阵列声源定位可视化系统，包括：在圆心为O，半径为r圆上均匀分布设置16个传声器；一视觉采集模块，所述视觉采集模块包括：在位于圆心为O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，所述工业相机通过USB线与上位机电连接，并将采集的视觉信息上传给上位机；一数据采集模块，所述数据采集模块为数据采集卡，数据采集卡通过信号线与16个传声器输出端电连接，数据采集卡通过USB线与上位机相连，将传声器采集的声音信号以电压值输出给数据采集卡，数据采集将电压信息上传给上位机；一数据处理模块，所述数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小。实现本专利技术的目的采用的技术方案之二是：一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它的声源定位方法的内容包括：1)获取第5传声器接收的数据x5、第13传声器接收的数据x13，假设第13传声器相对于第5传声器的时延为τd，计算第5传声器、第13传声器接收数据的互相关其中，E[·]为期望本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它包括：在圆心为O，半径为r圆上均匀分布设置16个传声器；一视觉采集模块，所述视觉采集模块包括：在位于圆心为O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，所述工业相机通过USB线与上位机电连接，并将采集的视觉信息上传给上位机；一数据采集模块，所述数据采集模块为数据采集卡，数据采集卡通过信号线与16个传声器输出端电连接，数据采集卡通过USB线与上位机相连，将传声器采集的声音信号以电压值输出给数据采集卡，数据采集将电压信息上传给上位机；一数据处理模块，所述数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小。

【技术特征摘要】
1.一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它包括：在圆心为O，半径为r圆上均匀分布设置16个传声器；一视觉采集模块，所述视觉采集模块包括：在位于圆心为O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，所述工业相机通过USB线与上位机电连接，并将采集的视觉信息上传给上位机；一数据采集模块，所述数据采集模块为数据采集卡，数据采集卡通过信号线与16个传声器输出端电连接，数据采集卡通过USB线与上位机相连，将传声器采集的声音信号以电压值输出给数据采集卡，数据采集将电压信息上传给上位机；一数据处理模块，所述数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小。2.根据权利要求1所述的一种圆阵列声源定位可视化系统，其特征是，它的声源定位方法的内容包括：1)获取第5传声器接收的数据x5、第13传声器接收的数据x13，假设第13传声器相对于第5传声器的时延为τd，计算第5传声器、第13传声器接收数据的互相关其中，E[·]为期望；计算取得最大值时τ的值，得到时间差τ；根据时间差τ的正负判断声源所处象限，确定方位角搜寻范围，若时间差为正，方位角搜寻范围为180°～360°，若时间差为负，方位角搜寻范围为0°～180°计算传声器收到声音信号的傅里叶变换，求出声源信号的主频f；计算出声源信号的波长λ＝c/f；计算角度为θ,时传声器阵列的矢量矩阵其中，θ为仰角，为方位角，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚部，γm＝2πm/M，m＝0,1,…,M-1为第m个传声器；M为传声器数目，r为半径，λ为声源波长；计算该角度下的传声器阵列的输出y(t)：其中，为第m个传声器在角度为下的转置，xm(t)为第m个传声器采集到的声音数据；计算角度为θ,下传声器阵列的输出功率其中，为的转置，矩阵R为阵元输...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏庆宇，王锴文，陈东升，侯一民，沈学强，陈康，尺圣斌，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22