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2019-2021数学中国网络挑战赛优秀论文-2019-2021数学中国网络挑战赛优秀论文汇总-特等奖1037A.pdf
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数学中国网络挑战赛(认证杯),论文,历届,内容丰富,大学生数学,数学竞赛,参考资料
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第十三届数学中国数学建模网络挑战赛
地址:数学中国数学建模网络挑战赛组委会 网址:www.tzmcm.cn
电话:0471-4969085 邮编:010021 Email:service@tzmcm.cn
2020 年第十三届“认证杯”数学中国
数学建模网络挑战赛第一阶段论文
题 目 基于时间延迟定位法的麦克风阵列的混响模型
关 键 词 时间延迟定位法 麦克风阵列的混响模型
GCC 时延估计法 球形插值法 几何镜像法
摘 要:
目前使用麦克风阵列定位声源研究较多的有高分辨率谱定位法、可控波束定位法、
时间延迟定位法三种方法,考虑我们的声源信号是人为产生的音源信号,具有实时性,
不连续性,短暂平稳性,因此我们采用时间延迟定位法作为本问题的解决方法。
考虑到室内环境有混响和噪音的干扰,我们利用 MATLAB 来模拟出麦克风接受的真
实信号并利用广义互相关的方法求时延,来削弱混响信号带来的影响。
针对于问题一,由于房间尺寸已知,求解脚步声源位置便是二维平面求解,在二维
平面高度是忽略不计的,所以麦克风阵列的高度越低越好。由理论可得二维平面至少需
要三个麦克风,由于麦克风阵列的摆放位置和旋转角度不能精确得知,我们便用线性等
间距结构和放在房间角落的方法来方便确定位置和旋转角度,再通过不断步进增加间距,
根据所求结果的精度以及控制成本的前提下来确定合适的间距,最终得到合适的间距为
20cm,问题一最后的麦克风阵列为三元线性等间距阵列,间距为 20cm。
针对问题二,需要求解房间尺寸,所以我们将二维平面转化为三维平面,由于三维
平面的位置求解更为复杂,所以我们引入球形插值法来求解声源位置,麦克风个数也由
最少的三个增加到了四个,通过实验对比我们发现正四面体结构的麦克风阵列精确度最
高,再通过逐步增加间距的方法求解出间距为 25cm 时最合适。由于互相关函数的 R 有
多个峰值,所以我们可以根据不同的峰值来估算出,除直达路径以外的其他路径信号的
时延,在假设墙壁只反射一次的情况下求出声源和镜像声源的位置,并利用几何原理求
出房间的尺寸。问题二最后的麦克风阵列为正四面体结构,每个麦克风位于四面体的每
个顶点,间距为 25cm。
参赛队号: 1037
所选题目: A 题
参赛密码
(由组委会填写)
第十三届数学中国数学建模网络挑战赛
地址:数学中国数学建模网络挑战赛组委会 网址:www.tzmcm.cn
电话:0471-4969085 邮编:010021 Email:service@tzmcm.cn
英文摘要
Three methods of using microphone array to locate sound source are currently studied m
ore highresolution spectral positioning method, controllable beam positioning method, time d
elay positioning method, considering that our sound source signal is an artificially generated s
ound source signal, with realtime , Discontinuity, transient stability, so we use the time delay
positioning method as the main method.
Considering the reverberation and noise interference in the indoor environment, we use
MATLAB to simulate the real signal received by the microphone and use the generalized cros
s-correlation method to find the time delay to reduce the impact of the reverberation signal.
For problem one, since the room size is known, the solution to the position of the footste
p sound source is the two dimensional plane. The height of the twodimensional plane is negl
igible, so the lower the height of the microphone array, the better. It can be obtained from theo
ry that at least three microphones are needed for the two dimensional plane. Since the placem
ent and rotation angle of the microphone array cannot be accurately known, we use the linea
r equalspace structure and the method of placing it in the corner of the room to easily determi
ne the position and rotation angle. Then continue to increase the spacing step by step, and dete
rmine the appropriate spacing according to the accuracy of the required results and the cost o
f control, and finally get the proper spacing of 20cm. Problem 1 The final microphone array i
s a ternary linear equal spacing array with a spacing of 20cm .
For problem two, the room size needs to be solved, so we convert the two-dimensional pl
ane into a three-dimensional plane. Since the position of the three-dimensional plane is more c
omplicated, we introduce the spherical interpolation method to solve the position of the soun
d source. The number of microphones has also been increased from three to four. Through exp
erimental comparison, we have found that the microphone array with a regular tetrahedral stru
cture has the highest accuracy, and then the method of gradually increasing the spacing is use
d to find the most suitable when the spacing is 25cm. Since R of the cross-correlation functio
n has multiple peaks, we can estimate the delay of the signal of the path other than the direct p
ath according to different peaks, Assuming that the wall reflects only once, find the position
s of the sound source and the mirrored sound source.Finally, according to the coordinates of th
e sound source and the mirror sound source, the geometrical principle is used to obtain the siz
e of the room.Problem 2: The final microphone array is a regular tetrahedron structure, eac
h microphone is located at each vertex of the tetrahedron, with a spacing of 25cm.
参赛队号 # 1037
1
目录
一、问题重述 ........................................................................................................................2
1.1 相关背景 .................................................................................................................2
1.2 问题提出 .................................................................................................................2
二、模型假设 ........................................................................................................................2
三、符号说明 ........................................................................................................................2
四、模型准备 ........................................................................................................................3
4.1 麦克风阵列信号模型 ..............................................................................................3
4.1.1 理想模型 ........................................................................................................3
4.1.2 实际模型 ........................................................................................................4
4.2 声源定位模型 .........................................................................................................6
4.2.1 高分辨率谱定位法 .........................................................................................6
4.2.2 可控波束定位法 .............................................................................................6
4.2.3 时间延迟定位法 .............................................................................................6
五、问题一模型的建立与求解 .............................................................................................7
5.1 构建基于时间延迟的声源定位模型 .......................................................................7
5.1.1 TDOA 法简介 ..................................................................................................7
5.1.2 GCC 方法估计时延 .........................................................................................7
5.1.3 几何法求解声源位置 .....................................................................................9
5.2 构建最少成本麦克风阵列 .................................................................................... 11
六、问题二模型的建立与求解 ........................................................................................... 12
6.1 模型拓展 ............................................................................................................... 12
6.2 球形插值法 ........................................................................................................... 14
6.3 声源与镜像位置的确定 ........................................................................................ 14
6.4 房屋尺寸估量方法 ................................................................................................ 15
七、模型分析与评价 .......................................................................................................... 18
7.1 敏感性分析 ........................................................................................................... 18
7.2 模型的优缺点 ....................................................................................................... 19
参考文献 ............................................................................................................................. 19
附 录 ............................................................................................................................. 20
参赛队号 # 1037
2
一、问题重述
1.1 相关背景
传统视频监控只能记录图像,而无法计算准确的距离,而听音辨位系统的麦克风
树则可以准确地计算出声源的位置信息。由于每个麦克风所处的位置不同,因此每个
麦克风接收到的声音信息也会有细微的差别,利用这些差别,我们可以计算出声源的
方向和距离。
听音辨位系统具有很高的应用潜力,在安全领域上,它能够解决传统摄像头存在
监控死角的问题,通过声音辨别来辅助监控系统。在地质勘探中,它能够快速地测量
洞穴的深度。因此,研究听声辨位的应用以及它的特性,具有很高的价值与意义。
1.2 问题提出
(1) 在一个平面形状是矩形,地面和天花板都是水平的大厅(假设我们已知大厅的
轮廓的准确尺寸,包括:长、宽、高)中建立一个麦克风树结构模型,此模型能使用
较少的麦克风,且较为准确地计算发出声音的人的位置。
(2) 大厅的尺寸未知,我们需要设计出一个模型,改模型在能够确定发出声音的人
的位置的同时,能最大限度地测量出大厅的轮廓尺寸(长×宽×高)。
二、模型假设
1. 假设所有麦克风具有相同的性能参数,且工作在额定功率。
2. 假设大厅环境中的干扰噪声仅有高斯噪声。
3. 发出声音的声源只有一个人。
4. 声波在墙面上只反射一次。
三、符号说明
参赛队号 # 1037
3
符号
含义
声源信号
声源的坐标
传播效应衰减因子
环境噪声信号
麦克风之间的时间差
麦克风对声源信号的脉冲响应函数
第 i 个麦克风
声源到麦克风
的距离
单位距离衰减系数
互相关系数
声源信号与轴夹角
大厅的长度
大厅的宽度
大厅的高度
四、模型准备
4.1 麦克风阵列信号模型
麦克风阵列
[1]
是利用各个阵元接收到的语音信号作为后续处理的输入的,麦克风阵
列所接收到的信号中有直接到达的信号、经过障碍物反射的信号以及噪声信号。通常
将麦克风阵列信号模型分为理想模型和实际模型两种。
4.1.1 理想模型
图 1 麦克风阵列理想信号模型
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阿拉伯梳子
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