现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法技术

一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，根据参考麦克风建立坐标系，通过标准声源发出在不同位置发出同样的单频信号由参考麦克风接收并测量其与其他麦克风之间的相位差，设置感兴趣的频段和声源位置并设置声源发声，根据参考麦克风输出信号推导出其余麦克风输出信号的理论值，利用自适应算法迭代计算得到各个麦克风对应的优化滤波器。本发明专利技术利用麦克风阵列板上麦克风的几何位置推断各个麦克风间的相位差并通过自适应滤波器以更精确的方式校准麦克风相位差。针对电路安装和测试环境因素引起的相位差，能够进行自动化的在线校准，显著提高麦克风阵列在实际应用中的准确性的同时操作难度减小，要求降低，对麦克风的位置关系和参考麦克风的选择都没有强制要求。置关系和参考麦克风的选择都没有强制要求。置关系和参考麦克风的选择都没有强制要求。

【技术实现步骤摘要】
现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法


[0001]本专利技术涉及的是一种噪声定位领域的技术，具体是一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法。

技术介绍

[0002]声源定位技术在故障检测、远场声音拾取等领域有着广泛的应用，常利用麦克风阵列中不同麦克风采集到的相位差设计定位算法，相差反应了声波到达阵列中不同麦克风的时间差，是推导声源方位角的关键。因此，相位的精度对于定位的准确度至关重要，必须保证同一阵列中的麦克风相位差仅由声波到达的时间差引起，相位差的校准是麦克风阵列工作前的必须环节。关于麦克风阵列相位差的校准，目前大部分方法都是在安装前于实验室进行，通过离线方法校准不同麦克风本身性能上的差异。但是该类方法忽略了麦克风安装到电路板上后，各种电气元件和线路也会引入相位差。同时工作环境的变化，比如温度、湿度等都会对麦克风阵列的相位差产生影响，导致之前的校准结果不可靠，而离线的校准方法使得再次校准的难度变大。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，能够实现现场自适应调整且简单通用。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，根据参考麦克风建立坐标系，通过标准声源发出在不同位置发出同样的单频信号由参考麦克风接收并测量其与其他麦克风之间的相位差，设置感兴趣的频段和声源位置并设置声源发声，根据参考麦克风输出信号推导出其余麦克风输出信号的理论值，利用自适应算法迭代计算得到各个麦克风对应的优化滤波器。技术效果
[0006]本专利技术基于改进的相位差校准技术，利用麦克风阵列板上麦克风的几何位置推断各个麦克风间的相位差并通过自适应滤波器以更精确的方式校准麦克风相位差。相比现有技术，本专利技术针对电路安装和测试环境因素引起的相位差，能够进行自动化的在线校准，显著提高麦克风阵列在实际应用中的准确性的同时操作难度减小，要求降低，对麦克风的位置关系和参考麦克风的选择都没有强制要求。
附图说明
[0007]图1为本专利技术流程图；
[0008]图2为本专利技术示意图；
[0009]图3为麦克风阵列信号流图；
[0010]图4为圆形排布的8麦克风阵列平面图；
[0011]图中：11麦克风、12电路板。
具体实施方式
[0012]如图2所示，为本实施例涉及一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，包括：
[0013]S1)对于板上如图1所示几何排布已知的平面N麦克风阵列，选择一个参考麦克风，将其输出的信号作为其他麦克风输出信号的参考；以参考麦克风声学中心为平面坐标系原点，建立三维坐标系，该麦克风坐标为(0，0，0)；进一步确定麦克风阵列中所有麦克风声学中心的坐标(x
i
，y
i
，0)，其中i＝1，2，...，N
‑
1。
[0014]由于定位算法利用的是相位间的相对差值而非绝对差值，因此明确指定一个位于阵列中的麦克风即可达到参考目的，无需再额外引入参考信号。
[0015]如图1所示，任意规定其中一个麦克风作为参考麦克风，如图中左下角麦克风，以此麦克风的声学中心为原点，经过该点的直径为x轴，板平面内过该点垂直于x轴的直线为y轴，过原点且垂直于xy平面的直线为z轴，建立三维空间坐标系。声源S位于坐标系z轴上，选择S和麦克风阵列间合适距离，使之为近场模型，因此声源发出的声信号到达不同麦克风时存在与距离有关的相位差。
[0016]在其他场合，如图4所示的圆形电路板直径为60mm，麦克风位于圆形板的8等分线上，并且麦克风的声学中心距离圆心26mm，可以得到板上8个麦克风声学中心坐标。参考麦克风坐标为(0，0，0)，其他7个麦克风坐标为(x
i
，y
i
，0)，i＝1，2，...，N
‑
1。
[0017]S2)测定环境下的声速c，选定坐标系中与参考麦克风声学中心距离不同的两个位置，距离差为d，声源在两个位置分别发出同样的工作频率为f0的声信号，由参考麦克风接收，得到两次接收到的信号相位差计算得到声速。
[0018]例如选择距离参考麦克风位置不同的两点(0，0，1000)，(0，0，1300)，距离差为300mm，将标准声源S分别放置在这两点，发出同样的500Hz声信号，由参考麦克风接收。分析两次得到的声信号的相位差θ，声速c为
[0019]所述的工作频率f0优选为100～500Hz，声源两次位置和参考麦克风距离的差值取0.3～1m，且声源位于z轴上，这样声信号接收效果好，得到相位差合适。
[0020]S3)根据应用中感兴趣的频段，确定标准声源S发出声音信号的最高频率f
max
，以此确定声源在坐标系中的位置坐标(x
S
，y
S
，z
S
)，保证声源和麦克风阵列几何中心的距离小于2个发出信号的波长。此时声场可以视作近场模型，各麦克风输出信号相位差受到距离差影响。
[0021]例如感兴趣的频段为1kHz到10kHz，因此标准声源发出频率最大值为10kHz，信号最小波长为0.034m。可以规定声源位置坐标为(0，0，100)，此时声源和电路板几何中心的距离大约为3个信号波长，可以视作近场模型。根据公式可以推出参考麦克风和其他麦克风由于位置引起的相位差分别为
[0022]S4)如图3所示，声源发出的声信号经过传播到达参考麦克风的声音信号为x
c
(t)，根据远场假设和阵列中其它麦克风的坐标，估算出到达其余N
‑
1个麦克风的声音信号x
i
(t)
与参考麦克风之间的相位差f为选定的效果最好的分析频率，其中：声速c在测试环境不变时为稳定值，因此将步骤S2中的公式代入，有该公式中所有变量均可通过试验或测量的方式获得，能够达到较好的精度，表达出的理想相位差，将作为后续自校准的参考量。
[0023]如图3所示，参考麦克风H
c
的输出信号y
c
(n)，对应其他i个待校准麦克风H
i
的理论输出信号y
i
(n)，基于各个麦克风后续电气电路的差异和测试环境的对其性能的影响，除了理论相位差以外实际待校准麦克风H
i
的输出信号y
′
i
(n)与参考麦克风的信号y
c
(n)相比，还有附加相位差
[0024]S5)利用数字自适应算法，通过涉及代价函数以迭代的方式得到每个麦克风对应的优化滤波器。
[0025]所述的数字自适应算法采用最小均方算法(LMS)、频域的最小均方算法(FLMS)、递推最小二乘法(RMS)等，优选采用频域的最小均方算法。
[0026]所述的代价函数为任一麦克风理论输出信号y
i
(n)和实际输出信号y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，其特征在于，根据参考麦克风建立坐标系，通过标准声源发出在不同位置发出同样的单频信号由参考麦克风接收并测量其与其他麦克风之间的相位差，设置感兴趣的频段和声源位置并设置声源发声，根据参考麦克风输出信号推导出其余麦克风输出信号的理论值，利用自适应算法迭代计算得到各个麦克风对应的优化滤波器。2.根据权利要求1所述的现场级自适应的平面麦克风阵列校准方法，其特征是，具体包括：S1)对于平面N麦克风阵列，选择一个参考麦克风，将其输出的信号作为其他麦克风输出信号的参考；以参考麦克风声学中心为平面坐标系原点，建立三维坐标系，该麦克风坐标为(x
c
，y
c
，0)；进一步确定麦克风阵列中所有麦克风声学中心的坐标(x
i
，y
i
，0)，其中i＝1，2，...，N
‑
1；S2)测定环境下的声速c，选定坐标系中与参考麦克风声学中心距离不同的两个位置，距离差为d，声源在两个位置分别发出同样的工作频率为f0的信号，由参考麦克风接收，得到两次接收到的信号相位差计算得到声速；S3)根据应用中感兴趣的频段，确定标准声源S发出声音信号的最高频率f
max
，以此确定声源在坐标系中的位置坐标(x
S
，y
S
，z
S
)，保证声源和麦克风阵列几何中心的距离小于2个发出信号的波长。此时声场可以视作近场模型，各麦克风输出信号相位差受到距离差影响；S4)声源发出的声信号经过传播到达参考麦克风的声音信号为x
c
(t)，根据远场假设和阵列中其它麦克风的坐标，估算出到达其余N
‑
1个麦克风的声音信号x
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍启瑞，谷立敏，王丹阳，王俊璞，黄震宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：