CN110297215B - 一种圆阵列声源定位可视化系统及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种圆阵列声源定位可视化系统及方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

实现本发明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。

实现本发明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τ_d，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，γ_m＝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，x_m(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P_max1；重新在最大值P_max1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P_max2；再次在最大值P_max2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P_max3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τ_ij(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，R_rotate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，Z_c为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Z_c＝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。

本发明的一种圆阵列声源定位可视化系统及方法，根据本发明系统的结构特点，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，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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。

实现本发明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τ_d，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，γ_m＝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，x_m(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P_max1；重新在最大值P_max1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P_max2；再次在最大值P_max2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P_max3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τ_ij(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，R_rotate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，Z_c为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Z_c＝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。

本发明的一种圆阵列声源定位可视化系统及方法，根据本发明系统的结构特点，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。

实施例一

本实施例公开了一种圆阵列声源定位可视化系统，如图1所示，对声音采集、视觉数据采集、供电、数据采集、数据处理显示以及机械结构，包括：

声音采集部分，由传声器阵列组成，16个传声器均匀分布在半径20cm的圆上，传声器为NTi公司生产的M4261型麦克风；其中，1为第1传声器，2为第5传声器，3为第9传声器，4为第13传声器；

视觉采集部分，5为工业相机，其光心与阵列圆心重合，光轴同传声器拾音头指向同向；

供电部分，6为所述电源，提供5V直流电源给传声器供电；

数据采集部分，7为数据采集卡，为NI公司生产的PCI-6221型采集卡，采集传声器输出电压；

数据处理显示模块，8为上位机，对数据进行处理计算，并显示声源可视化图像。

机械结构部分，9为支撑架，可以根据测量要求进行伸缩、调向；

实施例二

本实施例公开了一种圆阵列声源定位可视化系统的声源定位方法，应用于对声音数据处理、计算，包括：

获取各个传声器接收的声音信号，进行提取、去噪、预加重、加窗、分帧等预处理；

计算第5传声器、第13传声器延时，采用互相关法计算第5传声器、第13传声器接收数据的互相关

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，求出声音信号的主频f；

由此计算出声音信号的波长λ＝c/f；

然后根据以下公式计算角度为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，γ_m＝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为波长；

计算角度为θ,

下传声器阵列的输出功率

其中，矩阵R为阵元输出x(t)的协方差矩阵，x(t)^H为x(t)的转置，即R＝E[x(t)x(t)^H]，E为期望；

采用变步长法搜寻最大功率谱，具体步骤包括：

取初始角度搜寻步长step₁为20°，获取功率谱最大值P_max1，得到功率谱图如图2所示；重新在最大值P_max1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P_max2得到功率谱图如图3所示；再次在最大值P_max2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P_max3，得到功率谱图如图4所示，对应的角度θ₃,

即为声源位置角度

实施例三

本实施例还公开了一种圆阵列声源定位可视化系统的声源定位方法，应用于对视觉场景中声源位置信息的匹配显示，具体包括：

计算声源阵列中心的距离l，包括：

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)，声源到达各传声器的时间分别为τ₁，τ₂，τ₃，τ₄，则声源到达传声器之间的时间差为τ_ij(i,j＝1,2,3,4)，声速为c，计算声源距阵列中心的距离l：

其中，声源到达传声器之间的时间差为τ_ij(i,j＝1,2,3,4)，由广义互相关算法得出；

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，R_rotate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于像素坐标系下的像素坐标(u,v)：

其中，Z_c为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Z_c＝z；

以声源像素坐标为基准，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谱图；

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。

实施例四

本实施例提供了一种圆阵列声源定位可视化系统的上位机操作过程，包括：

上位机编写LABVIEW程序，设置采集卡的采样速率、采样时间，相机拍照频率、照片像素尺寸，圆阵列声源定位可视化系统循环周期时间。通过启停等按钮，控制圆阵列声源定位可视化系统工作状态。

实施例四具体应用于转轴故障的三相感应电动机，型号为JW7114，电机处于高为0.7m的平台上，平台距阵列3.2m，通过圆阵列声源定位可视化系统及方法，最终在视觉图像中直观看到电机上的故障声源谱图；

整个系统流程如图5，具体包括：

第一步，通过上位机软件进行初始化设置，包括设置声音数据采集的采样率、采样时间、相机采集像素设置、系统循环频率等；

第二步，对第5传声器的数据做傅里叶变换，得到声源主频，计算第5传声器、第13传声器延时，并依据延时值的正负判断声源所处的象限；

第三步，根据延时计算得到的搜索范围，利用变步长法进行谱峰搜索，获取基于角度的声强功率谱图；

第四步，根据第1传声器、第5传声器、第9传声器、第13传声器计算声源距阵列中心的距离；根据坐标系之间的转化关系计算角度坐标系下的谱峰在像素坐标系下的坐标；

第五步，依据谱峰在像素坐标系下的坐标划定像素坐标范围，通过坐标逆映射计算出像素坐标对应的角度坐标；

第六步，计算对应角度坐标下的声强功率，得到基于像素坐标的声强功率谱图；

第七步，读取视觉采集模块的图像，对图像相应像素坐标叠加基于像素坐标的声强功率谱图，得到融合后图像。

Claims (1)

1.一种圆阵列声源定位可视化系统，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，

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τ_d，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，γ_m＝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，x_m(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P_max1；重新在最大值P_max1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P_max2；再次在最大值P_max2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P_max3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τ_ij(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，R_rotate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，Z_c为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Z_c＝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。

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