改进的自适应特征值分解声源定位算法研究

麦克风阵列室内声源定位,常用声达时间差定位技术.本文针对估计时延的自适应特征值分解算法收敛速度慢,时延估计精度较差,麦克风较多等问题,提出一种改进的自适应特征值分解时延估计算法,采用单源多元混响模型,将混响效应描述为室内冲激响应滤波器对信号的滤波过程,估计不同阵元的冲激响应抑制混响,根据冲激响应峰值计算时延.通过引入最小均方牛顿算法,加快了AED算法的收敛速度.给出了对声源进行三维定位的三麦克风阵列结构,实际测试结果表明,改进算法与三麦克风阵列的定位方法对声源的定位更加准确.     

基于TDOA多声源定位的虚假声源消除方法

基于到达时差(time difference of arrival,简称TDOA)的多声源定位方法难以将麦克风获得的TDOA值与真实声源进行有效的关联。针对此问题,提出了一种基于TDOA的多声源空间定位方法。利用互相关算法估计声源的TDOA值,并基于Chan算法求解多目标声源的空间位置。为消除虚假声源,将阵列麦克风分为定位和校验两组子阵列,并构建阵列分组定位校验模型。定位麦克风用于所有可能声源的定位。校验麦克风用于虚假声源的消除,并获得多声源的初始位置。根据初始真实声源位置,构建全阵列TDOA序列校验模型,并获得最终真实声源位置。搭建了仿真及实验平台,对提出的方法进行验证。仿真及实验结果表明,提出的方法有效地消除了基于TDOA多声源定位的虚假声源,并能充分利用阵列麦克风数量来提升多声源定位精度。     

一种嵌入式远场麦克风阵列声源定位系统设计与实现

研究了一种采用均匀线阵列麦克风接收语音信号的低功耗嵌入式声源定位系统以及一种基于改进时间差估算法进行声源定位的算法,使得微型麦克风阵列在嵌入式设备中的噪声处理能力和定位精度大大提高,可以广泛应用于智能化小型设备中,实现了技术的实用化。     

麦克风阵列幅相误差校准的最小二乘系统辨识研究

阵列幅相误差显著降低了麦克风阵列的声源定位算法性能,研究了一种麦克风阵列幅相误差有源宽带近场校准方法。该方法采用一个校准源,线性正弦扫频信号作为激励信号,它先对阵列接受到的信号进行幅值和相位补偿,以阵列中的一个阵元作为参考阵元,把参考阵元与待校准阵元当作单输入单输出线性系统,然后通过递推最小二乘(RLS)系统辨识算法获得用于通道校准的FIR滤波器。用三维声强探头阵列进行校准和声源定位实验,验证了所提出的校准方法实用有效。     

压缩感知声源定位方法研究*

目前声源定位主要采用波束形成算法与麦克风阵列相结合的方法。常规波束形成(Conventional beamforming, CBF)方法存在以下缺陷：① 空间分辨率受限于瑞利限;② 动态响应范围受旁瓣的影响。高级波束形成算法则存在着计算时间过长、会出现负声源或假声源等缺陷。提出一种基于麦克风阵列与压缩感知正交匹配追踪(Orthogonal matching pursuit, OMP)算法的声源定位方法。在不同频率下通过数值仿真方法将压缩感知OMP算法与CBF算法及压缩感知基追踪(Basis pursuit, BP)算法的声源定位结果进行对比。结果表明：① 与CBF算法相比,压缩感知算法显著提高定位结果的分辨率;② 当声源频率为 1 000 Hz时,测量矩阵的等距约束性常数(Restricted isometry constant, RIC)远高于FOUCART边界限,不满足等距约束性条件(Restricted isometry property, RIP),压缩感知OMP算法仍能定位出主要声源的位置,而压缩感知BP算法无法对主要声源进行定位。通过数值仿真方法对不同信噪比(Signal to noise ratio, SNR)及不同声源间距下压缩感知OMP算法和CBF算法声源定位的结果进行对比。结果表明：① 当SNR为零时,压缩感知OMP算法能对主要的声源信号进行定位,而CBF算法无法对主要声源进行定位;② 在声源频率为5 000 Hz时,OMP算法的空间分辨率为0.074 m,突破了瑞利限约束。通过试验对所提出的声源定位方法的可行性进行验证。     

基于麦克风阵列的双波束近场定位及语音分离

提出了一种新的基于麦克风阵列的近场声源定位和语音分离算法,它结合双波束二维定位和近场最小方差波束形成技术在阵列近场范围内实现声源定位和语音分离.使用双波束进行二维定位能解决2D-Music运算量过大和实现困难的问题.在双波束二维定位的基础上,使用基于麦克风阵列近场模型的最小方差波束形成技术进行语音分离,它比常规最小方差波束形成技术更适用于近场内的语音分离.最后,仿真结果验证了该算法的正确性和可行性.     

基于听觉特性和过零点间隔的多声源定位算法

针对目前声源定位技术的研究现状,研究了人耳听觉系统的生理学和心理学特性,建立了基于人耳听觉系统的多声源定位模型;通过研究信号部分频率成分间的过零点时间间隔与原信号保持一致的特性,提出了用上升过零点模拟听神经的发放行为,从而引入了根据两通道间过零点时间间隔统计特征确定两耳时延的算法,并给出了噪声对时延结果影响的判定方法;相比互相关算法,该算法的计算量较小而抗噪声能力更强,声源的增多不会明显降低定位效果;通过与常用的互相关时延算法对比,仿真实验验证了该算法在较低信噪比情况下,依然可以对多个声源取得较好的定位效果。     

一种高精度声源自动跟踪系统的设计

通过对被动声定位技术的研究,设计出一种基于小孔径传声器基阵实现对远场声源自动跟踪的系统.介绍了声源被动定位技术的基本原理,提出了基于极大似然估计的定位算法,通过对实测数据的计算机仿真实验,获得了良好的效果.数字信号处理器TMS320C32作为硬件系统的核心部件,可以完成复杂的定位运算,计算出声源方位信息,并控制随动装置实时跟踪目标.     

基于源强先验引导的正交匹配追踪声源识别算法

压缩感知理论的出现为采用较少的传声器实现高分辨率声源识别与定位，提供了理论可能和实现途径。因此越来越多的学者将压缩感知方法应用到声源识别领域当中。在已有的诸多压缩感知重构算法中，正交匹配追踪（Orthogonal matching pursuit，OMP）算法具有旁瓣小、分辨率较高、算法过程简单、计算速度快、易于硬件实现等优点，具有广泛的应用潜力。但是OMP算法在实际应用场合中表现出的对低频声源定位效果差，聚焦面网格密集划分时易出现定位偏差的缺点限制了算法的应用范围。为此，通过对OMP算法关键步骤的理论分析，找出OMP算法上述缺陷的理论来源，在此基础上提出一种基于源强先验引导的OMP声源定位算法，该方法在OMP原子筛选过程中引入了源强先验信息，可以较好地克服由相邻声源距离较近或分析频率较低时原子间相关性增强引起的原子选择错误，从而进一步提高了算法的声源定位准确率，拓宽了算法适用的频率范围，在实际中可实现宽频带声源的高分辨率识别与定位。     

基于智能手机TDOA估计的被动声源定位方法与系统实现

被动目标监测广泛应用于国防、安全等领域。针对被动声目标监测,首次提出了基于手机平台的被动式声目标定位方法,并设计和开发了原型系统。针对手机间时钟同步对被动式信号到达时间差精度的影响,采用手机内置的麦克风和扬声器发送和接收同步声信号的方式,从而避免了节点间无线同步到声信号采集间的时间延迟不确定性。为了提高信号发送和接收时刻的估计精度,将时间戳信息调制到设定的线性调频声信号,并采用广义互相关方法来实现信号波形检测。进一步,针对被动目标声源的非合作特性,采用统计判决理论和语音活动性检测相结合的方法对观测信号进行联合检波,获得被动目标声源到达时间的高精度估计,即被动声源到手机间的到达时间差。最后,通过多部手机搭建了原型系统并设计实验,结果表明定位误差不超过10%的概率达到80%。     

微机械电容式麦克风的仿真研究

针对麦克风产品开发成本过高问题,对麦克风的制造工艺进行了研究,提出了一种用仿真代替实验的方法,利用Intelli Suite软件中的Blueprint设计麦克风制作过程中所使用的掩膜版图,再利用Intelli Suite软件中Intelli Fab模块对器件进行了微电容式麦克风的工艺流程仿真,仿真出麦克风器件,再利用Intelli Suite软件中的3D BUILDER,TEM两个子模块,仿真得到了微机械电容式麦克风的灵敏度、吸合电压以及固有频率等参数,该仿真过程得到的相关参数能够为微机械电容式麦克风性能的佐证提供参考,并指导学者对微电容式麦克风产品的开发与设计过程。分析结果表明,此过程能够代替实际的开发的制造过程,达到节约产品开发成本的目的。     

一种电容式硅微机械麦克风的设计与制造

给出了一种电容式硅微机械麦克风的设计和制造方法。该微机械麦克风在单一硅片上制作,麦克风的两个电极由1个3层复合敏感膜和1个带有通气孔的金属铜底板构成,敏感膜与底板之间采用牺牲层技术形成空气问隙。测试结果表明,该硅微机械麦克风适合在工业界推广应用。     

声场可视化系统中声像阵列空间关系标定研究

在声场可视化系统中,摄像机与传声器阵列的空间位置及角度的关系不准确将导致声源定位出现误差。而目前对于声场可视化系统中的声像阵列空间关系的研究较少,缺少对声像阵列空间关系的简单有效的标定方法。因此,提出了一种可计算任意位置与姿态的摄像机与传声器阵列之间空间关系的标定方法,可有效消除由传声器阵列与相机的空间关系不匹配导致的声源定位误差。通过对已知声源在多个空间位置的声源定位误差进行最小化处理,利用分步迭代计算的方法,分别计算出摄像机与传声器阵列的空间位置与角度,最终得到声像阵列之间真实的空间位置与角度关系。仿真与实际实验均表明本方法可对任意位置与姿态的摄像机与传声器阵列的空间关系进行准确标定,能有效提高声场可视化系统的声源定位精度。提出的声像阵列空间关系标定方法可应用于各种声场可视化系统中,对提高声场可视化系统的声源定位准确度有着积极的意义。     

一种以多晶硅为振动膜的MEMS传声器研制

给出了以磷掺杂的多晶硅为振动膜的电容式MEMS传声器的研制过程。从等效电路模型出发,研究了电容式MEMS传声器的振动特性和灵敏度,给出了传声器灵敏度随振动膜张力、膜与背板间的空气隙厚度、背板声孔大小及背板声孔所占面积而变化的解析表达式。结合硼掺杂硅/硅复合背板结构MEMS传声器,提供了参考制作工艺流程。样品测试在1kHz频率处的灵敏度达到-60dB(相对于1V/Pa)。     

Monitoring of high-power CO2 laser cutting by means of an acoustic microphone and photodiodes

Laser cutting is nowadays a well-established sheet metal processing method. The cutting of thick plates (>15 mm) is, however, still characterized by more narrow process windows compared to those for thin sheets. Therefore good cutting quality cannot always be guaranteed. The development of a monitoring system that can measure the cut quality on-line could form a solution to this problem. In this study, the determination of an appropriate monitoring system is dealt with. The applicability for monitoring purposes of two types of sensors is investigated: the microphone and the photodiode. For both types, correlation between the sensor output and the cut quality is investigated. Besides contour cutting, piercing is also covered in the study. The full break-through of the piercing can be monitored by both sensors. Furthermore quantitative relations between cut quality parameters and photodiode signal parameters could be determined.     

The delay & sum algorithm applied to microphone array measurements: Numerical analysis and experimental validation

The experimental validation of the beamforming technique applied to microphone array measurements is investigated in this paper. At first the method theoretical background is presented, highlighting the main parameters affecting its performances and studying their influence with the aim of producing an instrument useful in designing an efficient experimental set-up. Then, in order to prove the theory assessment and to give a first estimation of the method uncertainty, an experimental campaign is carried out to validate the exposed theory under controlled and repeatable conditions.The obtained results highlight a very good correspondence between the theoretical model and the “in field” tests, giving the possibility to correctly design microphones array for future experimental campaigns.     

Numerical fluid structural interface analysis in condenser microphone design

Condenser microphones are widely used in electronic and acoustic applications. Although, various mechanical and electro-mechanical methods have been developed to design and analyze these sensors. However, due to the difficulty of fluid-structural-electrical couplings, none of them can introduce a method that consider all parameters of the design together. This research concerns the effects of four main parameters: a) Air gap size; b) Number of holes on the back-plate; c) holes radius size and d) location of the holes in back plate, on the response of the microphones. This analysis have been carried out based on coupled finite element and finite volume method using ANSYS-CFX software to simulate fluid-structure interaction between the diaphragm and air in the air-gap region. By using this method, the effects of the geometric parameters on the response of the microphone have been investigated. Results show that, increasing air gap size, holes radius, and holes number decrease the damping effects of the air between diaphragm and back plate. On the other hand, increasing the distance between the holes has the opposite effect. In addition, results reveal that among these four parameters, increasing the number of holes on back plate is the most efficient method in reducing air-gap damping effects.     

基于倒频谱方法测量吸声系数的一种新方法

提出了在随机声波入射下,基于倒频谱分析的测量吸声系数的一种新方法。在被测的系数材料的近前方放置一个麦克风,在随机声波入射下,该麦克风检测出麦克风处的声压,将此声压变换成倒频谱,再与入射声压的倒频谱对比,得到被测吸声材料表面的反射系数,从而得到该吸声材料的吸声系数。最后进行了实验,首先研究了麦克风距离吸声材料表面之间的距离与测得的吸声系数的关系;然后,研究了麦克风放置的位置以及被测吸声材料的面积与测得的吸声系数的关系;最后,对不同的吸声材料进行了实验。实验结果表明,在随机声波入射下,用该方法测量吸声系数是方便可行的。     

Application of He’s variational iteration method to the estimation of diaphragm deflection in MEMS capacitive microphone

In this paper, He’s variational iteration method (VIM) is used to analyze the deflection of poly silicon diaphragm of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) capacitive microphone. The residual stresses in the material used to make the diaphragm change the vibrational characteristics of the microphone diaphragm and consequently influence the microphone’s first resonant frequency, cutoff frequency and sensitivity. The most successful devices use poly silicon as a diaphragm material, because of its residual stress is controllable by high-temperature annealing after ion implantation by boron or phosphorous. External acoustic force causes to deflect the diaphragm of the structure and VIM is a powerful analytical method to predict the structural behavior and the microphone performance. Comparison of this new method with the previous approximate solution [1], is applied to assure us about the accuracy of solution.     

Study of high-frequency sound signals for tool wear monitoring in micromilling

This study analyzed the sound signals obtained from the micromilling process for microtool wear monitoring. Various spans of spectral features were created by analyzing sound signals on tool wear monitoring in microcutting. The selection algorithm based on class mean scattering criteria and the hidden Markov model (HMM) model was developed to verify the effect of various feature selection algorithms on the system performance. The effect of the feature bandwidth size, the size of observation sequence, and choice of the hidden states for HMM parameters were also studied. The results indicate that the normalized sound signals obtained from the single microphone with a frequency range between 20 and 80 kHz demonstrated the potential to provide a solution to monitor micromills with the proper selection of feature bandwidth and other parameters.