本發(fā)明涉及的是一種音頻和圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位方法及系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確獲取當(dāng)前聲音信號(hào)所對(duì)應(yīng)的成像頻帶范圍，快捷、動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)頻帶范圍參數(shù)的設(shè)置。

背景技術(shù)：

麥克風(fēng)陣列技術(shù)利用分布在空間中的麥克風(fēng)傳感拾取聲音信號(hào)，而后使用信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)拾取到的聲音信號(hào)進(jìn)行分析處理，測(cè)量出聲源的空間分布信息，重現(xiàn)聲場(chǎng)，與光學(xué)圖像合成后，可對(duì)聲源進(jìn)行成像，便于直觀的獲得聲場(chǎng)中聲源的位置、聲壓分布等信息。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，一般通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲取聲音信號(hào)的頻譜，分析聲音信號(hào)的主要頻帶，然后從聲音信號(hào)中提取該頻段的信息，并利用這些信息對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行成像，以獲得該頻段內(nèi)，聲場(chǎng)的分布情況。這種設(shè)置頻帶范圍的方法，對(duì)于頻域分布較為穩(wěn)定的檢測(cè)目標(biāo)，有很好的效果。但由于有些檢測(cè)目標(biāo)，如齒輪箱等，在運(yùn)行或工況切換的過(guò)程中，需要進(jìn)行分析的頻段會(huì)改變，如果還是使用之前設(shè)置的頻帶范圍對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行成像，就無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)出聲場(chǎng)的真實(shí)情況。

頻帶的作用是對(duì)多個(gè)聲源進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)，當(dāng)其運(yùn)行時(shí)，會(huì)有多個(gè)噪聲源。需要根據(jù)劃分頻帶的方法對(duì)這些噪聲源進(jìn)行區(qū)別。獲得特定頻帶的聲音所對(duì)應(yīng)的聲源位置。很多情況下，我們不僅需要找到聲源，還需要了解這些聲源所發(fā)出的聲音所集中的頻帶。當(dāng)獲取了聲源對(duì)應(yīng)的頻帶信息后，就可根據(jù)實(shí)際的需要有針對(duì)性的進(jìn)行一些降噪或者其他的處理。

麥克風(fēng)陣列聲場(chǎng)成像時(shí)需要對(duì)成像的分析頻段進(jìn)行設(shè)置，現(xiàn)有的方法是獲取聲音信號(hào)的頻譜，對(duì)頻譜進(jìn)行觀察分析后，設(shè)置聲場(chǎng)成像的頻段。但使用這種方式進(jìn)行聲場(chǎng)成像時(shí)，存在以下缺點(diǎn)：通過(guò)傅里葉變換獲得的信號(hào)頻譜反應(yīng)的是整個(gè)信號(hào)的頻域特性，是對(duì)信號(hào)的整體性分析，無(wú)法獲取信號(hào)頻率成分隨著時(shí)間變化的規(guī)律與特性。當(dāng)聲場(chǎng)信號(hào)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)時(shí)，用此方法獲取的分析頻段，誤差較小。但當(dāng)聲場(chǎng)的主要頻率分布隨著時(shí)間改變，或聲場(chǎng)分析對(duì)象就是瞬變聲源時(shí)，使用上述方式就無(wú)法準(zhǔn)確獲取所需的成像頻段。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN102854494，公開(kāi)日2013年1月2日公開(kāi)了一種聲源定位方法及裝置，包括：麥克風(fēng)陣列采集聲源信號(hào)，并對(duì)其中任意兩個(gè)麥克風(fēng)采集的聲源信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；確定經(jīng)過(guò)所述兩路聲源信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)；確定隨當(dāng)前信噪比變化而調(diào)整的加權(quán)函數(shù)；根據(jù)所述互功率譜密度函數(shù)和加權(quán)函數(shù)確定所述兩路聲源信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)的值序列，并根據(jù)所述互相關(guān)函數(shù)的最大值確定聲源信號(hào)到達(dá)所述兩個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延；根據(jù)麥克風(fēng)陣列的排列分布和所述聲源信號(hào)到達(dá)其中任意兩個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延，定位聲源位置。但該技術(shù)的缺陷在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)分析頻率的自動(dòng)切換，需要手動(dòng)切換到不同頻率以實(shí)現(xiàn)聲源定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有麥克風(fēng)陣列聲場(chǎng)成像技術(shù)無(wú)法根據(jù)聲場(chǎng)的情況快速的調(diào)整分析頻率，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行有效成像的不足，提出一種優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位方法及系統(tǒng)，在聲源定位時(shí)，通過(guò)時(shí)頻變換獲取分析頻率與時(shí)間的變化規(guī)律，以此作為參數(shù)自動(dòng)的設(shè)置分析頻率，本發(fā)明能夠直觀顯示當(dāng)前聲場(chǎng)在不同頻率下的特點(diǎn)以供工程人員快速的定位聲源。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位方法，使用麥克風(fēng)陣列采集與視頻同步的多通道聲場(chǎng)樣本，然后從聲場(chǎng)樣本中獲取其時(shí)頻分布特征，再根據(jù)時(shí)頻分布獲得時(shí)間信息與分析頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此獲得與分析時(shí)刻、分析頻率所對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)狀態(tài)，并將聲場(chǎng)狀態(tài)以云圖的方式與所述視頻融合，實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)成像。

所述的聲場(chǎng)樣本為聲壓信號(hào)。

所述的時(shí)頻分布特征，即聲場(chǎng)樣本在各個(gè)時(shí)刻的頻率信息及相應(yīng)的幅度信息，該時(shí)頻分布特征采用但不限于短時(shí)傅里葉變換、小波變換、Wigner-Ville分布以及希爾伯特黃變換等計(jì)算得到。

所述的聲場(chǎng)狀態(tài)是指：M個(gè)通道的麥克風(fēng)陣列中所有通道的除自譜的幅值系數(shù)其中：w為角頻率；r為位置矢量；C_nm(w)為麥克風(fēng)陣列中第n號(hào)和第m號(hào)傳聲器接收聲壓信號(hào)的互功率譜；v_n(r)，v_m(r)第為n號(hào)和第m號(hào)傳聲器所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量，v(r)＝e^-jk|r|/|r|，其中k為波數(shù)。為第n號(hào)和第m號(hào)傳聲器所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量的共軛值。

所述的時(shí)頻分布特征，通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整頻段：根據(jù)時(shí)頻分布特征，描繪出所需的時(shí)間-頻率曲線，軟件將自動(dòng)的讀取該時(shí)間-頻率曲線。對(duì)聲場(chǎng)樣品進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)獲取被分析獲取聲場(chǎng)樣本所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并通過(guò)時(shí)間-頻率對(duì)應(yīng)曲線，獲得所對(duì)應(yīng)的分析頻率。軟件將使用該分析頻率對(duì)聲場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，以獲得該時(shí)刻的聲場(chǎng)成像結(jié)果。

本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：麥克風(fēng)陣列、圖像采集裝置、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，其中：數(shù)據(jù)處理模塊分別接收麥克風(fēng)陣列和圖像采集裝置輸出的多通道聲場(chǎng)樣本和視頻信息，通過(guò)從多通道聲場(chǎng)樣本中提取出聲場(chǎng)狀態(tài)后與視頻信息合并，生成聲場(chǎng)視頻。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將聲音信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果作為檢測(cè)分析依據(jù)，提升了對(duì)被測(cè)聲場(chǎng)了解的全面性，本發(fā)明使用聲場(chǎng)的頻段和時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為成像參數(shù)，提升了聲場(chǎng)成像的準(zhǔn)確性，聲場(chǎng)成像過(guò)程中，成像程序根據(jù)時(shí)間參數(shù)自動(dòng)的設(shè)置成像頻段，提升了使用的便捷性。

本發(fā)明技術(shù)效果包括：

1.相對(duì)于傳統(tǒng)使用頻譜獲取聲音信號(hào)頻段的方法，使用時(shí)頻分析的方法不僅可以獲知信號(hào)的頻域特性，還能獲取頻域特性與時(shí)域特性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)被測(cè)聲場(chǎng)有更全面的了解。

2.將聲場(chǎng)成像的對(duì)應(yīng)頻段與時(shí)間信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，相比于將聲場(chǎng)成像的頻率參數(shù)設(shè)為定值，頻率參數(shù)依據(jù)時(shí)間信息自動(dòng)改變的方法，能夠更準(zhǔn)確的設(shè)置頻率參數(shù)，聲場(chǎng)成像結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確的描述聲源的分布情況。

3.聲場(chǎng)成像軟件自動(dòng)的根據(jù)時(shí)間參數(shù)調(diào)整頻段信息，相比于手動(dòng)的更改參數(shù)設(shè)置，更加便捷，在處理時(shí)間較長(zhǎng)，頻率變化較為復(fù)雜的聲場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，便捷性尤為突出。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例中時(shí)頻分析結(jié)果示意圖；

圖2為實(shí)施例中利用光標(biāo)描繪出所需分析頻段的趨勢(shì)線示意圖；

圖3為實(shí)施例效果示意圖；

圖中：(a)攝像頭采集的光學(xué)圖像，(b)利用聲學(xué)信息獲取的聲源空間分布圖像，(c)將光學(xué)圖像和聲學(xué)圖像進(jìn)行整合后的定位結(jié)果；以及

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位系統(tǒng)100的框圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

本實(shí)施例包括以下步驟：

步驟1、構(gòu)建優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：麥克風(fēng)陣列、圖像采集裝置、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，其中：數(shù)據(jù)處理模塊分別接收麥克風(fēng)陣列和圖像采集裝置輸出的多通道聲壓信號(hào)樣本和視頻信息，通過(guò)從多通道聲壓信號(hào)樣本中提取出聲場(chǎng)狀態(tài)后與視頻信息合并，生成聲場(chǎng)視頻。

步驟2、采集多通道聲壓信號(hào)樣本以及視頻信號(hào)。

步驟3、根據(jù)聲壓信號(hào)的時(shí)域波形特性，選擇合適的時(shí)頻分析手段。

如圖1所示，為聲壓信號(hào)樣本時(shí)頻分析的結(jié)果，從分析結(jié)果可以看出有聲壓信號(hào)的能量所集中的頻帶隨時(shí)間的變化規(guī)律趨勢(shì)。通過(guò)描點(diǎn)等手段，可以很方便的獲得分析頻段隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖2所示，即使用光標(biāo)進(jìn)行描點(diǎn)獲得的。

圖1中橫軸是時(shí)間，縱軸為頻率。從圖中可以看出，時(shí)間0～1秒內(nèi)，聲壓信號(hào)能量集中的頻段是隨著頻率逐漸增加的，在1秒后，聲壓信號(hào)能量集中的頻段就不隨著時(shí)間改變，基本維持在5kHz左右。通過(guò)描點(diǎn)等方法可以獲得聲壓信號(hào)樣本時(shí)間與分析頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本方法在實(shí)際分析時(shí)，就可以利用這一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)分析的聲壓信號(hào)時(shí)間，改變分析的頻率。

步驟4、使用時(shí)頻分析手段對(duì)聲壓信號(hào)樣本進(jìn)行分析，獲取聲壓樣本信號(hào)各個(gè)時(shí)刻的頻率信息及相應(yīng)的幅度信息，即聲壓信號(hào)樣本的時(shí)頻分布特征。

步驟5、根據(jù)聲壓信號(hào)樣本的時(shí)頻分布特征，獲得所需的分析頻段隨時(shí)間變化的趨勢(shì)線。

步驟6、根據(jù)分析頻段與時(shí)間信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)成像算法進(jìn)行設(shè)置。

麥克風(fēng)陣列聲場(chǎng)成像時(shí)需要對(duì)成像的分析頻段進(jìn)行設(shè)置，傳統(tǒng)的設(shè)置方法是對(duì)聲壓信號(hào)樣本求頻譜，確定分析頻段范圍。這樣的缺點(diǎn)是整個(gè)分析過(guò)程中，分析的頻段是不會(huì)改變的。有些情況中，分析的頻段需要改變，如圖1所對(duì)應(yīng)的聲壓信號(hào)，它的能量成分集中的頻段就會(huì)隨著時(shí)間改變。若用固定不變的分析頻段進(jìn)行聲場(chǎng)成像時(shí)，成像的效果就會(huì)比較的差。此時(shí)就需要根據(jù)5中圖2描出的時(shí)間與分析頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)分析頻率進(jìn)行設(shè)置。然后成像的過(guò)程中，軟件會(huì)根據(jù)當(dāng)前被分析的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，使用相應(yīng)的分析頻率進(jìn)行聲場(chǎng)成像。分析頻率不是定值，會(huì)根據(jù)分析信號(hào)的時(shí)間信息改變。

步驟7、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析，成像算法將自動(dòng)根據(jù)聲壓信號(hào)時(shí)間信息與成像算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得當(dāng)前聲壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的分析頻段，并使用該分析頻段對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行信息的提取，而后對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行成像。

如圖3(a)所示，為本實(shí)施例使用攝像頭采集光學(xué)圖像，

如圖3(b)所示，為經(jīng)過(guò)使用麥克風(fēng)陣列采集聲壓信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行分析處理。獲得聲場(chǎng)的空間分布圖像。

由于從圖3(b)所示的聲場(chǎng)的空間分布圖像中無(wú)法直觀的獲取聲場(chǎng)的分布所對(duì)應(yīng)的空間位置之間的關(guān)系。所以利用圖3(a)和圖3(b)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行圖像合并，生成圖3(c)所示的定位結(jié)果圖。從圖3(c)中就可以很直觀的發(fā)現(xiàn)聲源的位置，即筆記本電腦右側(cè)的喇叭。

從圖3(c)所示，聲源定位結(jié)果可以很直觀的獲得聲場(chǎng)中聲源的位置，且可獲得被測(cè)區(qū)域內(nèi)，各個(gè)點(diǎn)的聲壓值，即被測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的聲壓值以及其相應(yīng)的空間位置。一般本方法找聲源就是在定位結(jié)果中找聲壓值最大的位置。

實(shí)施例2

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位系統(tǒng)100的框圖。如圖4所示，所述優(yōu)化聲場(chǎng)成像定位系統(tǒng)100包括：麥克風(fēng)陣列102用于采集聲場(chǎng)的聲壓信號(hào)、圖像采集裝置104用于采集聲場(chǎng)的光學(xué)圖像、數(shù)據(jù)處理模塊106，分別與所述麥克風(fēng)陣列102和所述圖像采集裝置104連接，用于分別接收所述麥克風(fēng)陣列102和所述圖像采集裝置104輸出的多通道聲壓信號(hào)樣本和視頻信息，通過(guò)從多通道聲壓信號(hào)樣本中提取出聲場(chǎng)狀態(tài)后與光學(xué)圖像合并，生成優(yōu)化聲場(chǎng)圖像，和顯示模塊108，用于顯示所述聲場(chǎng)圖像。所述數(shù)據(jù)處理模塊106包括時(shí)頻分析單元110用于用時(shí)頻分析手段對(duì)聲壓信號(hào)樣本進(jìn)行分析，獲取聲壓樣本信號(hào)各個(gè)時(shí)刻的頻率信息及相應(yīng)的幅度信息，即聲壓信號(hào)樣本的時(shí)頻分布特征，并根據(jù)聲壓信號(hào)樣本的時(shí)頻分布特征，獲得所需的分析頻段隨時(shí)間變化的趨勢(shì)線，和成像單元112用于根據(jù)分析頻段與時(shí)間信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)聲場(chǎng)成像算法進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析，根據(jù)聲壓信號(hào)時(shí)間信息與成像算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得當(dāng)前聲壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的分析頻段，并使用該分析頻段對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行信息的提取，而后對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行成像。所述數(shù)據(jù)處理模塊106可以是中央處理器CPU，單片機(jī)，或者微處理器MCU等具備數(shù)據(jù)運(yùn)算功能的處理器。

至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其它的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實(shí)施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。