CN218037300U - 异常声源定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种异常声源定位装置，包括音频采集装置，以待检测的目标区域为中心规划出一个规则的测量空间，在测量空间的各个顶点分别布置一组音频采集装置，所有音频采集装置连接控制模块，所述规则的测量空间为六面体，在六面体的8个顶点各布置一组音频采集装置，每组采集装置由3‑6个麦克风组成。本实用新型的结构将麦克风采集装置布置在待检测区域的各个位置，这样在故障发生时，各个麦克风因为距离异常音源的距离不同，所采集到的信号就不同，而各个麦克风相互之间的位置是已知的，这样就可以利用不同的音频数据计算得到具体的异常音源位置。

Description

异常声源定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用音频进行故障位置检测的装置。

背景技术

声源定位在声音信号的处理中处于非常重要的地位，广泛应用在诸如智能设备、视频会议系统、违章抓拍或者故障诊断等方面，能够自动捕捉和对准发声对象。其通过对采集信号进行处理得到声源到达麦克风整列的波达方向，相比单个麦克风传感器，由多个麦克风传感器组成的麦克风阵列在语音信号处理方面具有更好的优势，麦克风阵列具有互补性，能更好的消除背景噪声。在现下工业制造中我们发现，随着电网规模扩大，设备检修试验工作量急剧增加，由于设备检修所带来的经济成本、社会成本也日渐突出，传统的设备实验、检测方法已经制约了电网及公司的发展。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对设备检修试验工作中难以快速寻找故障源的问题，提供一种声源定位装置，通过该装置可以从不同的位置采集噪音。

本实用新型的技术方案为：

一种异常声源定位装置，包括音频采集装置，以待检测的目标区域为中心规划出一个规则的测量空间，在测量空间的各个顶点分别布置一组音频采集装置，所有音频采集装置连接控制模块。

所述规则的测量空间为六面体，在六面体的8个顶点各布置一组音频采集装置。

在待测量的目标区域的地面上安装矩形的底座支架，在底座支架上有四根立柱，在立柱的底部和顶部分别安装一组音频采集装置。

所述底座支架由三根或四根连杆组成矩形框架。

待测空间水平方长4000mm，宽3000mm，高250mm，用长4000mm的2根金属支架搭建在发电机组两侧，长3000mm的1根金属支架搭建在发电机组后侧，长2500mm的4根金属支架搭建在机组的垂直方向。

每组音频采集装置由2-6个麦克风组成，每组麦克风按照直线排列，位于长方体下顶点的四组麦克风沿重力方向直线排列，位于上顶点的四组麦克风沿水平方向直线排列。4组底部的音频采集装置离地500mm。

控制模块为工业控制计算机，安装有报警系统和显示模块态。

所述待检测的目标区域为发电机组所在区域。

麦克风阵列采集到的音频数据通过交换机集中传送到工控机

本实用新型的有益效果是：

绝大多数的机械设备在正常工作状态下，会发出平稳而有规律的噪声，而当设备老化或者发生其他故障时，则会产生明显异于平常的工作噪声，这时就可以通过定位异常噪音来源，来对设备进行检修。设备异响多表现为可听声(20～20Khz)，如果发生电弧、气体泄漏，将产生高于可听频率的超声波。因此，通过在嘈杂的环境中测量超声波成分，可测出是否有气体泄漏及电弧发生。声波具有方向性，所以容易被查出。本实用新型的结构将麦克风采集装置布置在待检测区域的各个位置，这样在故障发生时，各个麦克风因为距离异常音源的距离不同，所采集到的信号就不同，而各个麦克风相互之间的位置是已知的，这样就可以利用不同的音频数据计算得到具体的异常音源位置。

声波依次通过传感器排列后，分析顺序和特性，计算噪音的方向和距离，进而在杂音较多的环境中，可以找准故障发生的位置。同时声音信号的非接触性，可以有效避免振动信号数据采集困难。利用不同麦克风接收到的来自同一个声源的声音信号在强度上的差异实现声源定位，根据本文的算法可以直接实测出声压幅值比，基于本系统可以根据实际情况如计算时间、处理数据量等灵活改变位置坐标误差。

附图说明：

图1是计算逻辑流程图。

图2是本实用新型的装置示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种异常声源定位装置，包括音频采集装置，以待检测的目标区域为中心规划出一个规则的测量空间，在测量空间的各个顶点分别布置一组音频采集装置，所有音频采集装置连接控制模块。

所述规则的测量空间为六面体，在六面体的8个顶点各布置一组音频采集装置。

在待测量的目标区域的地面上安装矩形的底座支架，在底座支架上有四根立柱，在立柱的底部和顶部分别安装一组音频采集装置。

所述底座支架由三根或四根连杆组成矩形框架。

每组音频采集装置由2-6个麦克风组成，每组麦克风按照直线排列，位于长方体下顶点的四组麦克风沿重力方向直线排列，位于上顶点的四组麦克风沿水平方向直线排列。

控制模块为工业控制计算机，安装有报警系统和显示模块态。

所述待检测的目标区域为发电机组所在区域。

实施例2：

声源定位装置包括：

第一模块：设备装置模块，工控机，即工业控制计算机，就是专门为工业现场而设计的计算机工控机，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称，具有重要的计算机属性和特征。是一种采用总线结构，主要功能是对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制。

交换机，交换机的主要功能就是连接网络设备，并通过数据交换的方式来进行数据传输。网络交换机是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的网络设备。

显示屏，就是应用在工业控制过程或设备的显示器，它与民用或商用的显示器有较大区别，具有防尘、防震等特殊设计。

报警器，为了防止危险发生造成一些不必要的后果和损失，安装报警器以便实时监测发电机组是否出现异常。

围绕整个发电机组搭建金属支架以用于固定8组麦克风，机组水平方长4000mm，宽3000mm，高250mm，故长4000mm的2根金属支架搭建在机组两侧，长3000mm的1根金属支架搭建在机组后侧，长2500mm的4根金属支架搭建在机组的垂直方向。共7根。

第二模块，采集模块，用于获取麦克风阵列各麦克风的输入声音信号，如本文所述选取8个采集卡和8个4元线性麦克风阵列，将32路麦克风组按照发电机组实际尺寸进行摆放成立体的结构，在麦克风阵列中4组底部的麦克风离地500mm，以避免干扰，每组麦克风布置12V2孔电源插排用于供电。在三维模型中，阵列能够接收空间全方位的入射信号；

第三模块，监测模块，将麦克风阵列采集到的音频数据通过交换机集中传送到工控机，由工控机集中控制整个系统的自动初始化、数据采集和数据传输等操作，同时工控机可安装报警系统实时播报整个系统的运行状态。另由UDP/IP实时广播裸流信号，TCP/IP接收信号；

第四模块，显示模块，利用显示屏显示二维异常音频信号，报警灯显示不同颜色以代表系统运行状态，若识别出异常状态则通过报警器进行声光报警，发电机组正常运行时报警器显示绿色，若检测出异常音频则黄灯闪烁且蜂鸣器发声报警，若检测出异常视频如烟雾等，则黄灯闪烁且蜂鸣器发声报警。

该实用新型用在发电机组或噪声比较大的设备上，首先采集设备正常运行时的音频数据训练机组正常状态的音频模型，在实际检测时再把现场采集的音频与训练的正常状态下的音频模型进行比对，从而判断机组是否进入非正常状态。若识别出异常状态则通过报警器进行声光报警。若识别是异常状态则继续进行异常声源频率的提取和声源定位。首先在音频数据的频域上识别出新增频率，视新增频率为异常频率，通过滤波实现对异常频率的提取，通过反傅里叶变换提取滤波后数据在时域上的幅值作为异常音频的声压幅值。通过对比32路麦克风提取的异常音频数据的声压幅值，以幅值最大的麦克风所在位置为异常声源方向对异常声源进行“粗”定位，以该路麦克风的其他3路麦克风和最近相邻的4路麦克风构建声压幅值比方程式，以方程残差和最小寻找声源最优估计位置，以“粗”定位所在区域的坐标集合代入估计出(x，y，z)对已超过声源进行“精”定位。最后以给出的(x，y，z)的(x，y)在二维图像显示异常声源位置(前提需要把三维检测坐标系与二维图像显示坐标系进行匹配)。

基于声压幅值比的发电机组异常声源定位方法包括音频数据采集、识别、提取和处理、异常音频视频信号报警和异常声源信号估计定位；异常声源信号可视化。具体是以下步骤：

S1：通过8组4元麦克风即32路麦克风阵列实时采集发电机组音频数据，将采集的音频文件通过傅里叶变换得到频谱图，通过波峰探测找出音频在频域上的主要频率，将多组音频文件进行上述操作得到主要频率，作为特征输入孤立森林机器学习算法进行训练得到相应的模型；训练出机组正常状态下的音频模型后再将现场采集到的音频数据与训练好的音频模型进行对比，从而判断机组是否产生异常音频信号；

S2：通过采集大量的正常发电机组音频数据构建特征工程，即获得频谱图中的主要频率训练模型，同时通过孤立森林算法检测出异常频率，对异常频率进行反傅里叶变换和滤波处理后可提取到其时域信息；对采集的音频数据进行异常信号识别提取，将需要识别的音频信号进行傅里叶变换，得到其频域信息，之后进行波峰探测得到主要频率，最后将主要频率作为特征输入已经训练好的机器学习模型中。模型对输入的特征进行判定，如果是正常则输出为1，异常则输出为-1。得到异常频率后，对音频信号进行带通滤波，得到异常频率的时域信息。

S3：对比32路麦克风采集到的异常音频信号，得到幅值最大的一路麦克风并确定此路麦克风为主麦克风，实现“粗”定位。基于此进行二次“精”定位，即确定异常音频信号的坐标位置(x，y，z)；

为简单起见，首先考虑二维平面上的声源定位问题。假设四个麦克风被等间距地排列在X轴上，其坐标分别为(-3a，0)(-a，0)(a，0)(3a，0)。若声源位于S(x，y)点处，则声源到四个麦克风的距离分别可表为：

由关于声波的相关知识可知，声源在i个麦克风处产生的声压由下式给出，

i＝1，2，3，4

其中，p₀为声源在基准距离，r₀处产生的电压，ω为为声源简谐震动的角频率，

c₀为声速，而Δr＝r_i-r₀。

根据麦克风的特性，在第i个麦克风处，由上述声压所产生的电压输出为：

e_i(t)＝p_i(t)H_icosθ_i

其中，H_i为由第i个麦克风的传递特性确定的参量、θ_i为声波在第i个麦克风处的入射角。如果四个麦克风的传递特性完全相同(用H表示)，则对其中任意两个接收信号e_i(t)和e_j(t)而言，除幅度不同和存在一个固定的时间延迟Δt_ij＝k(r_i-r_j)之外，其波形是相同的。

下面，导出与声源定位有关的几个参量。为此，以e₁(t)和e₂(t)之比，有

由上述可知，

e₂(t+Δt₁₂)＝p₂(t+Δt₁₂)Hcosθ₂

＝p₂(t)Hcosθ₂exp{jk(t₂-t₁)}

＝p₂(t)Hcosθ₂exp{jk(r₂-r₁)}

这样，

类似地，在e₃(t)和e₄(t)之间，也存在相似的关系，

假设某声源有效声压为E₁，E₂，E₃，E₄分别为声压传感器接收到的有效声压，声源到传感器的距离分别为r₁，r₂，r₃，r₄。由于

可得到下式：

其中

和

为声压幅值比即有效声压比，其值可由各麦克风的实测值得到；

“粗”定位过程包括：通过对比32路麦克风提取得到异常音频数据声压幅值，将得到最大幅值的麦克风所在位置作为异常声源方向对异常声源进行“粗”定位，即确定主麦克风；

“精”定位过程包括：以主麦克风的其它3路麦克风和最近相邻的4路麦克风构建声压幅值比方程式，以方程残差和最小寻找声源最优估计位置，以“粗”定位所在区域的坐标集合代入估计出异常音频位置坐标(x，y，z)，即对异常声源进行“精”定位。根据本文研究情况初步的异常音频定位估计如下式：

其中，H为方程残差和最小；

例如在一次测试中在空间坐标为(210，170，120)处放置一个声源发出异常频率，通过采集到的异常音频数据的声压幅值来进行“粗”定位得到了主麦克风编号为3，通过麦克风的位置关系可知最近相邻的麦克风为4号麦克风，此时将3号麦克风的第一路麦克风提取到的幅值记为E₁，粗定位确定下来的空间区域的坐标矩阵记为D，主麦克风的坐标为(265，80.7，179)，其余七路麦克风的坐标依次为(265，84.9，179)，(265，89.1，179)，(265，93.3，179)，(265，93.3，21)，(265，89.1，21)，(265，84.9，21)，(265，80.7，21)。将八路麦克风的坐标扩充为与坐标矩阵D同样大小的矩阵，代入公式

其中A表示扩充后的麦克风坐标矩阵，计算得到空间坐标到8路麦克风的距离矩阵r₁,r₂,r₃,r₄,r₅,r₆,r₇,r₈,再将距离矩阵与各路麦克风提取到的幅值代入公式

计算得到最小残差和H为227114.51，最后进行索引找到得到H的坐标位置即为计算得到的异常音频位置为(213，171，121)。

S4：将异常音频信号的位置坐标(x，y，z)的(x，y)在二维图像显示异常声源位置。

Claims (9)

1.一种异常声源定位装置，包括音频采集装置，其特征在于：以待检测的目标区域为中心规划出一个规则的测量空间，在测量空间的各个顶点分别布置一组音频采集装置，所有音频采集装置连接控制模块，每组音频采集装置由2-6个麦克风组成，每组麦克风按照直线排列，控制模块为工业控制计算机，麦克风阵列采集到的音频数据通过交换机集中传送到工业控制计算机。

2.根据权利要求1所述的异常声源定位装置，其特征在于：所述规则的测量空间为六面体，在六面体的8个顶点各布置一组音频采集装置。

3.根据权利要求2所述的异常声源定位装置，其特征在于：在待测量的目标区域的地面上安装矩形的底座支架，在底座支架上有四根立柱，在立柱的底部和顶部分别安装一组音频采集装置。

4.根据权利要求3所述的异常声源定位装置，其特征在于：所述底座支架由三根或四根连杆组成矩形框架。

5.根据权利要求4所述的异常声源定位装置，其特征在于：位于长方体下顶点的四组麦克风沿重力方向直线排列，位于上顶点的四组麦克风沿水平方向直线排列。

6.根据权利要求5所述的异常声源定位装置，其特征在于：控制模块为工业控制计算机，安装有报警系统和显示模块态。

7.根据权利要求1-6任一项所述的异常声源定位装置，其特征在于：所述待检测的目标区域为发电机组所在区域。

8.根据权利要求7所述的异常声源定位装置，其特征在于：待测空间水平方长4000mm，宽3000mm，高250mm，用长4000mm的2根金属支架搭建在发电机组两侧，长3000mm的1根金属支架搭建在发电机组后侧，长2500mm的4根金属支架搭建在机组的垂直方向。

9.根据权利要求7所述的异常声源定位装置，其特征在于：4组底部的音频采集装置离地500mm。

Images