專利名稱：一種變電站噪聲成像偵測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及噪聲成像偵測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于TDOA算法的變電站噪聲成像偵測方法裝置。
背景技術(shù)：
變電站高壓機(jī)房是一個存在多種噪聲的環(huán)境。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)某些故障時，有時會發(fā)出一些非正常的聲響，這些非正常的聲響就混雜在環(huán)境噪聲中。如果能夠?qū)@些非正常聲響精確定位，就能準(zhǔn)確判斷故障設(shè)備，從而排除故障，減少設(shè)備故障對變電站帶來的損失。但是變電站高壓機(jī)房同時是一個環(huán)境比較特殊的場所，在變電站運行狀態(tài)下是不允許人靠近設(shè)備的，屬于危險區(qū)域，工作期間禁止人員接近，因此，設(shè)備故障無法預(yù)知、設(shè)備故障后無法定位，對其故障缺陷的檢測十分困難。而在定期的檢修期間，技術(shù)人員又無法重現(xiàn)高壓時的故障現(xiàn)象，這個問題一直沒有得到解決突破，只能依靠人工憑經(jīng)驗推斷，大面積更換設(shè)備。因此，象高壓變電站這類危險場所，特別需要無需人在現(xiàn)場的智能化聲源定位系統(tǒng)。目前，變電站的異常噪聲源的查找方法智能化程度很低，無法快速準(zhǔn)確的查找噪聲源、解決問題。因此研究在嘈雜環(huán)境下聲源定位就顯得尤為重要，并且在其他行業(yè)也極具應(yīng)用價值。聲源定位是利用聲學(xué)和電子裝置接受并處理聲場信號，確定發(fā)聲源的一種技術(shù)，現(xiàn)今使用的傳聲器陣列聲源定位算法大體上基于三種聲源定位原理。(I)仿雙耳的聲源定位原理。(2)基于到達(dá)時間差(TDOA)的聲源定位原理。(3)基于聲壓幅度比的定位原理。國際上經(jīng)過多年研究，已經(jīng)有一些實際可用的定位系統(tǒng)。但迄今為止，大多先進(jìn)國家裝備使用大多數(shù)是五六十年代研制和改進(jìn)的產(chǎn)品。進(jìn)入21 世紀(jì)以后國內(nèi)各企業(yè)、研究所及高校等在麥克風(fēng)拾音器陣列語音信號處理方面的研究取得了一定的成果。2004年陳可、汪增福提出一種使用聲壓幅度比進(jìn)行聲源定位的方法。該方法從陣列各拾音器所接收的電壓信號幅度與相應(yīng)拾音器到待測聲源距離之間關(guān)系出發(fā)，給出了以聲壓幅度比為參量的約束條件表達(dá)式，建立了利用這些約束條件進(jìn)行聲源定位的算法。2004年林靜然等提出一種改進(jìn)的基于麥克風(fēng)拾音器陣列的近場聲源定位和語音分離算法。它結(jié)合雙波束二維定位和近場最小方差波束形成技術(shù)在陣列近場范圍內(nèi)實現(xiàn)聲源定位和語音分離。2006年河北工業(yè)大學(xué)完成的面向反恐領(lǐng)域基于多源信息融合的機(jī)器人感知系統(tǒng)研究是集成視覺傳感器、聽覺傳感器和嗅覺傳感器于一體的多感官信息融合技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)。聽覺系統(tǒng)采用等腰三角形分布的3個麥克風(fēng)拾音器陣列，通過計算各麥克風(fēng)拾音器之間的時間延遲和幾何關(guān)系來判斷聲源的方位和距離。不過，我們國家在這方面的研究還是處于實驗研究階段，還沒有進(jìn)入實用階段。目前使用噪聲定位儀，多采用一維線性陣列或二維陣列采集噪聲，一維陣列對聲場方向信息拾取局限性較大，精度也比較低；二維陣列受入射方向影響在測量距離時誤差較大，傳聲器的靈敏度低、系統(tǒng)運行速度慢、效率低下，無法滿足實際工作中的要求，也給維護(hù)工作帶來很大的困擾，而市場上又沒有更先機(jī)的相關(guān)替代產(chǎn)品，因此急需研發(fā)一套更先進(jìn)、準(zhǔn)確、聞效的噪聲定位系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種智能化的、準(zhǔn)確性高、查找快捷的基于TDOA算法的變電站噪聲成像偵測裝置。實現(xiàn)上述目的所采用的方案是:一種變電站噪聲成像偵測裝置，是由麥克風(fēng)拾音器列陣、音頻預(yù)處理模塊、多路音頻采集卡、數(shù)字信號處理控制模塊、短時能量譜估計模塊、混音模塊、客戶端、顯不器、輸入鍵盤和聲光報警器組成，其中，麥克風(fēng)拾音器列陣分別與所述音頻預(yù)處理模塊和混音模塊的音頻輸入端連接，音頻預(yù)處理模塊的音頻輸出端依次與所述多路音頻采集卡、數(shù)字信號處理控制模塊和短時能量譜估計模塊連接，所述混音模塊的音頻輸出端與短時能量譜估計模塊連接，短時能量譜估計模塊的控制信號輸出端與所述多路音頻采集卡連接，所述數(shù)字信號處理控制模塊通過總線與客戶端、顯示器、輸入鍵盤和聲光報警器連接，所述多路音頻采集卡內(nèi)設(shè)置有源音頻濾波模塊，所述有源音頻濾波模塊由連續(xù)時間集成濾波器和音頻濾波器組成。所述麥克風(fēng)拾音器列陣按照三維矩形立方體模型結(jié)構(gòu)設(shè)置。所述混音模塊采用多路音頻混音器。所述音頻預(yù)處理模塊，包括自適應(yīng)放大電路、預(yù)濾波電路、分幀電路和加窗電路，所述預(yù)濾波電路為低通濾波電路，所述分幀電路設(shè)置的幀移為10ms。所述多路音頻采集卡采用10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器包括模擬輸入多路復(fù)用器、自動調(diào)零比較器、時鐘產(chǎn)生器、10位逐次逼近寄存器和輸出寄存器。所述三維矩形立方體模型至少設(shè)置6個麥克風(fēng)拾音器。本實用新型的變電站噪聲成像偵測裝置，在充分考慮高壓變電站機(jī)房的實際情況，建立了立體的三維拾音器分布模型，基于該模型，在無人值守前端，獲取噪聲源到達(dá)拾音器的準(zhǔn)確時間，通過以太網(wǎng)線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行闹蛋嗍业姆?wù)器進(jìn)行處理，獲得噪聲源的準(zhǔn)確定位和分布情況。該偵測系統(tǒng)創(chuàng)新性的把聲音獲取和處理分開處理，系統(tǒng)前端拾音器具有便攜、處理迅速、實時等特點。該偵測系統(tǒng)從根本上解決了大中型變電站高壓機(jī)房設(shè)備故障無法準(zhǔn)確預(yù)警，故障位置不能準(zhǔn)確判斷等難題，能夠為及時掌握無人機(jī)房的設(shè)備運行情況提供技術(shù)保障，為設(shè)備故障點的準(zhǔn)確判斷提供理論依據(jù)。該偵測系統(tǒng)還具有以下特
點(I)采集和處理分開，保證了噪聲源定位的準(zhǔn)確性；(2)到達(dá)時間采集模塊采用全硬件電路實現(xiàn)，確保了定位的精度；(3)自帶時鐘并定時與中心端進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)，保證時鐘的準(zhǔn)確性；(4) 可以打印記錄的動作狀態(tài)信息如:噪聲源位置坐標(biāo)、噪聲源出現(xiàn)時間、噪聲源所處機(jī)柜信息等；(5)整套設(shè)備裝置制作小巧、精致，現(xiàn)場安裝接線更簡單、方便。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的說明:

圖1是本實用新型中變電站噪聲成像偵測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖2是本實用新型中三維矩形立方體模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，本實用新型的變電站噪聲成像偵測裝置，是由麥克風(fēng)拾音器列陣1、音頻預(yù)處理模塊2、多路音頻采集卡4、數(shù)字信號處理控制模塊6、短時能量譜估計模塊
5、混音模塊3、客戶端7、顯不器8、輸入鍵盤9和聲光報警器10組成,其中，麥克風(fēng)拾音器列陣I分別與所述音頻預(yù)處理模塊2和混音模塊3的音頻輸入端連接，音頻預(yù)處理模塊2的音頻輸出端依次與所述多路音頻采集卡4、數(shù)字信號處理控制模塊6和短時能量譜估計模塊5連接，所述混音模塊3的音頻輸出端與短時能量譜估計模塊5連接，短時能量譜估計模塊5的控制信號輸出端與所述多路音頻采集卡4連接，所述數(shù)字信號處理控制模塊6通過總線與客戶端7、顯示器8、輸入鍵盤9和聲光報警器10連接。變電站噪聲成像偵測裝置中，所述麥克風(fēng)拾音器列陣I按照三維矩形立方體模型12的結(jié)構(gòu)設(shè)置，用于變電站噪聲音頻信號的采集，所述三維矩形立方體模型12至少設(shè)置6個麥克風(fēng)拾音器13。針對高壓變電站特定的空間，建立了矩形立方體數(shù)學(xué)模型，基于該模型建立三維坐標(biāo)系11，稱之為三維矩形立方體模型12，本偵測系統(tǒng)共設(shè)計6個麥克風(fēng)拾音器13，除底部平面以外，其它平面上至上有三個接收點。這樣，不同平面的任意四個點組成的聲源接收裝置，可以定位三維空間的音源位置。按照TDOA算法模型，最少兩次計算，就可以準(zhǔn)確定位出噪聲源的空間位置。實際應(yīng)用時，可以用不同平面的四個點分別計算，多次計算的結(jié)果會得到一個球體，通過求這個球面的重心，就可以精確定位噪聲源，提高精度。所述混音模塊3采用多路音頻混音器，用于音頻信號的混音處理，并輸出模擬全景噪聲信號。聲音在空氣中的傳播速度約340米/秒，必須準(zhǔn)確的獲得噪聲源到達(dá)每個接收裝置的時間差，才能準(zhǔn)確利用本實用新型的算法和模型進(jìn)行定位，因此，聲音的實時接收和快速處理是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本實用新型中聲音的實時偵測和接收，采用了基于硬件電路的混音模塊3來實現(xiàn)?；煲裟K3的輸入端為6個個麥克風(fēng)拾音器13。由于米用了模擬混音技術(shù)，任意一個接收裝置接收到噪聲源的聲音后，混音模塊3會第一時間做出響應(yīng)，啟動米集模塊對6個個麥克風(fēng)拾音器13在同一時刻同時米集。該混音模塊3的響應(yīng)時間最快可達(dá)到微秒級以下，滿足實際偵測需要。其混音工作原理是，噪聲源發(fā)出的聲音最先到達(dá)哪個麥克風(fēng)拾音器13取決于噪聲源離哪個麥克風(fēng)拾音器13更近。在實際使用中，到底從哪個點來時計時，這是無法提前預(yù)知的。因此，這里要用到混音模塊3，不論噪聲源到達(dá)哪個麥克風(fēng)拾音器13，混音后的音頻都會觸發(fā)程序自動開始計時，準(zhǔn)確計算出到達(dá)每個接收器的時間。所述音頻預(yù)處理模塊2，包括自適應(yīng)放大電路、預(yù)濾波電路、分幀電路和加窗電路，用于變電站噪聲信號的放大、濾波、分幀和加窗處理，所述預(yù)濾波電路為低通濾波電路，所述分幀電路設(shè)置的幀移為10ms。聲音在空氣中傳播，會隨著傳播距離而衰減。對噪聲源的定位，其實是用分布在空間的不同位置的聲音接收裝置，接收噪聲源發(fā)出的聲音。由于空間位置的不同，必然會造成音頻信號的誤差程度不同，自適應(yīng)放大就是為了解決這個問題，它可以把拾音器接收到的聲音信號的幅度放大一定的范圍內(nèi)，為后期的采樣和精確判斷到達(dá)時間提供保證 。語音信號的預(yù)濾波目的是抑制輸入信號各頻域分量中頻率超出&的所有分量，其中A為采樣頻率，以防止頻率混疊干擾。這樣，預(yù)濾波器必須是一個低通濾波器，設(shè)其截止頻率是右,麵于絕大多數(shù)音頻編譯碼器，& =IIWft,采樣頻率爲(wèi)=MHz。音頻信號在短時間內(nèi)頻譜特性保持平穩(wěn)，即具有短時平穩(wěn)特性，因此在實際處理時可以將音頻信號分成很小的時間段(約10 30ms),稱之為“中貞"，作為音頻信號處理的最小單位，幀與幀之間的非重疊部分稱為幀移，而將音頻信號分成若干幀的過程稱為分幀。分幀小能清楚地描繪語音信號的時變特征但計算量大；分幀大能減少計算量但相鄰幀間變化不大，容易丟失信號特征。一般取幀長20ms，幀移為幀長的I / 3 I / 2，本實用新型取幀移為10ms。在數(shù)據(jù)處理之前，為了保持語音信號的短時平穩(wěn)性，利用窗函數(shù)來減少由截斷處理導(dǎo)
致的Gibbs效應(yīng)。對已取出的一幀語音數(shù)據(jù)方(fl)進(jìn)行加窗處理,加窗公式是用一定的窗函數(shù)w(傘乘S(H)從而形成加窗語音3^ )。所述多路音頻采集卡4采用10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器包括模擬輸入多路復(fù)用器，自動調(diào)零比較器，時鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器(SAR)，輸出寄存器。用于將音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該多路音頻采集卡4內(nèi)還設(shè)置有源音頻濾波模塊，所述有源音頻濾波模塊由連續(xù)時間集成濾波器和音頻濾波器組成。所述ADC還提供可編程選擇的睡眠模式以節(jié)省功耗。所述短時能量譜估計模塊5采用精確的噪聲估計來采集噪聲的特性，并得到期望的估計語音，在最 短的時間內(nèi)估算出不同音頻接收麥克風(fēng)拾音器13的相同接收能量時的位置，用于在高信噪比的聲音環(huán)境中，可以區(qū)分有無噪聲。此時，無故障噪聲的能量很小，而有噪聲的能量值很顯著的增大到某一數(shù)值，由此可以區(qū)分噪聲信號的起始點和終止點，同時向多路音頻采集卡輸出單路模擬音頻。在快速音頻處理技術(shù)中，最重要的是短時能量譜估計，本實用新型的短時能量譜估計模塊5能夠采用精確的噪聲估計來采集噪聲的特性，通過良好的增強(qiáng)算法來得到期望的估計語音，可以在最短的時間內(nèi)估算出不同音頻接收模塊的相同接收能量時的位置，利于彌補(bǔ)噪聲源到達(dá)不同接收裝置時聲音強(qiáng)弱帶來的影響，且具有適用信噪比范圍大、方法簡單、易于實時處理等優(yōu)點。語音識別在實際的應(yīng)用中，都要求首先對系統(tǒng)的輸入音頻信號進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確找出語音段的起始點和終止點。這樣做，可以使采集的數(shù)據(jù)真正是語音信號的數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)量和運算量并減少處理時間。判別語音段的起始點和終止點的問題主要歸結(jié)為區(qū)別語音和噪聲的問題。如果環(huán)境噪聲和系統(tǒng)輸入噪聲非常小，能夠保證系統(tǒng)的輸入信噪比很高，那么只要計算輸入信號的短時能量就能夠把語音段和噪聲背景區(qū)別開來。但是，在實際應(yīng)用中很難保證這么高的信噪比，因而不能夠只依靠短時能量來判別語音段的起止點。另一方面，某些語音段的起止點的判別會遇到特殊的困難，例如，當(dāng)語音段的開始和末尾都是弱擦音或弱爆破音的情況，當(dāng)語音段末尾是鼻音的情況，這些音的短時能量是很小的，往往與背景噪聲處于相同的電平。在這些情況下，可利用短時平均過零率進(jìn)行判斷，因為清音和以上所舉的音素的短時平均過零率比背景噪聲的平均過零率要高出好幾倍。所述數(shù)字信號處理控制模塊6用于數(shù)字音頻信號的處理，并傳輸給客戶端7，同時按照客戶端7的指令信息對短時能量譜估計模塊5和多路音頻采集卡4進(jìn)行控制。
權(quán)利要求1.一種變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:是由麥克風(fēng)拾音器列陣、音頻預(yù)處理模塊、多路音頻采集卡、數(shù)字信號處理控制模塊、短時能量譜估計模塊、混音模塊、客戶端、顯示器、輸入鍵盤和聲光報警器組成，其中，麥克風(fēng)拾音器列陣分別與所述音頻預(yù)處理模塊和混音模塊的音頻輸入端連接，音頻預(yù)處理模塊的音頻輸出端依次與所述多路音頻采集卡、數(shù)字信號處理控制模塊和短時能量譜估計模塊連接，所述混音模塊的音頻輸出端與短時能量譜估計模塊連接，短時能量譜估計模塊的控制信號輸出端與所述多路音頻采集卡連接，所述數(shù)字信號處理控制模塊通過總線與客戶端、顯示器、輸入鍵盤和聲光報警器連接，所述多路音頻采集卡內(nèi)設(shè)置有源音頻濾波模塊，所述有源音頻濾波模塊由連續(xù)時間集成濾波器和音頻濾波器組成。
2.如權(quán)利要求1所述的變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:所述麥克風(fēng)拾音器列陣按照三維矩形立方體模型結(jié)構(gòu)設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:所述混音模塊采用多路音頻混音器。
4.如權(quán)利要求1所述的變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:所述音頻預(yù)處理模塊，包括自適應(yīng)放大電路、預(yù)濾波電路、分幀電路和加窗電路，所述預(yù)濾波電路為低通濾波電路，所述分巾貞電路設(shè)置的巾貞移為10ms。
5.如權(quán)利要求1所述的變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:所述多路音頻采集卡采用10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器包括模擬輸入多路復(fù)用器、自動調(diào)零比較器、時鐘產(chǎn)生器、10位逐次逼近寄存器和輸出寄存器。
6.如權(quán)利要求2所述的變電站噪聲成像偵測裝置，其特征在于:所述三維矩形立方體模型至少設(shè)置6個麥克風(fēng)拾音器 。
專利摘要本實用新型公開了一種變電站噪聲成像偵測裝置，由麥克風(fēng)拾音器列陣、音頻預(yù)處理模塊、多路音頻采集卡、數(shù)字信號處理控制模塊、短時能量譜估計模塊、混音模塊、客戶端、顯示器、輸入鍵盤和聲光報警器組成。該偵測裝置通過建立立體的三維拾音器分布模型，獲取噪聲源到達(dá)拾音器的準(zhǔn)確時間，通過音頻預(yù)處理模塊、混音模塊和短時能量譜估計模塊等對噪聲音頻信號的處理，并應(yīng)用三維空間時差定位算法程序運算，能夠快速精確地進(jìn)行故障噪聲定位，為高壓變電站及時掌握無人機(jī)房的設(shè)備運行情況提供技術(shù)保障，為設(shè)備故障點的準(zhǔn)確判斷提供理論依據(jù)。
文檔編號G01S5/18GK203148562SQ20122066133
公開日2013年8月21日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者張洪濤, 韓愛芝, 劉守明, 史宏偉, 劉春雷 申請人:國家電網(wǎng)公司, 河南省電力公司周口供電公司, 鄭州凱通思創(chuàng)科技有限公司