[发明专利]基于封闭空间几何信息建模的单传声器声源定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种封闭空间声源定位方法，特别涉及一种基于封闭空间几何信息建模的单传声器声源定位方法。

背景技术

封闭空间内的声源定位问题是声学研究中的一项重要内容，在人们生活中的很多方面都有较广的应用。例如飞机舱室的噪声源定位问题，会议室的智能话筒传音控制系统，以及地下车库的车位识别系统等。这类空间的主要特点是环境复杂且混响程度较高，某些小尺度的空间还有严重的声波干涉、衍射效应，对声源定位技术的精度、稳定性要求较高。

文献“基于传声器阵列的声源定位，信息技术，2016(6):136-138”采用了基于声达时间差的定位技术，这种声源定位方法一般分为2个步骤进行：先进行声达时间差估计，并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟；再利用获取的声达时间差，结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的方向。这种方法相对于可控波束形成技术和基于高分辨率的谱估计技术的精度较好，计算量较小。

从算法和实际应用来看，这种声源定位技术还存在着一些缺陷。首先，要获得较高的定位精度，需要大规模的传声器阵列，这在经济上会造成很大的负担；对于基于声达时间差的定位技术，声源定位实际上只是定位出了声源的方向，具体的距离则无法给出，另外，这种方法受环境混响影响很大，当混响程度较高时，精度很低。同时该方法在定位阶段用的参数已经是对过去时间的估计，因此不是最优估计。

发明内容

为了克服现有封闭空间声源定位方法实用性差的不足，本发明提供一种基于封闭空间几何信息建模的单传声器声源定位方法。该方法在封闭空间边界所包围的流体区域内布置n个节点，将此n个节点从1到n进行编号。利用此n个节点构建出封闭空间及内部物体的几何形状，并根据此n个节点坐标信息建立描述封闭空间数学性质的系统矩阵；在实际声源定位时，利用单传声器测得多个频率下的声信号，将此声信号与系统矩阵共同运算，得到声信号的位置信息，从而实现声源定位，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于封闭空间几何信息建模的单传声器声源定位方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、在封闭空间边界所包围的流体区域内布置n个节点，将此n个节点从1到n进行编号。n个节点一方面作为封闭空间的几何信息在后期进行建模计算，一方面用来表示未来声源定位时的位置。

n个节点近似均匀分布于整个流体区域内，封闭空间的边界处需布有节点。当封闭空间内部存在物体时，物体内部不布置节点，且物体边界上应布置有节点，即节点应勾勒出物体形状。节点布置完毕后，封闭空间及其内部物体的边界用Γ表示，边界所包围的流体区域用Ω表示。

步骤二、假定在封闭空间内声源的位置为r，它在单位时间内向单位体积内的空间提供了ρ₀q(r,t)的媒质质量。根据质量守恒定律，媒质中声波的连续方程写为：

式中，ρ'为媒质密度增量，ρ₀表示媒质静态密度，q为q(r,t)的简写，v为媒质质点速度，t表示时间，div为散度算子，在三维空间笛卡尔坐标系中，

除了连续性方程之外，用来描述媒质声波的基本方程还有两个，它们不受声源的影响，分别为运动方程：

和物态方程：

p＝c₀²ρ' (3)以上两式中，p代表声压，c₀代表声速，grad为梯度算子，在三维空间笛卡尔坐标系中，

由媒质中声波的三个基本方程得到有源情况下封闭空间中有关声压p的波动方程：

式中，为拉普拉斯算子，在三维空间笛卡尔坐标系中，

在频域，声源强度q(r,t)表示为

q(r,t)＝q_ω(r)e^jωt (5)

式中，ω为谐振频率，q_ω(r)为在位置r处频域内的声源强度。

封闭空间声场各点的声压的频率与声源相同，声压表示为：

p(r,t)＝p_ω(r)e^jωt (6)

式中，p_ω(r)为在位置r处频域内的声压。

将式(6)及式(7)代入式(5)中，得到简谐声源激励下的声波波动方程为：

令式中k＝ω/c₀，称其为波数，并且消去e^jωt，得到只依赖于空间坐标的那部分方程，即室内有源Helmholtz方程：