如何简单实现声源定位？

之前公众号已经介绍了一维矢量传声器及其相关应用领域，矢量传声器因为其良好的8字指向性，以及能够测量空间中的声压和一个维度的质点振速，在声场测量中有广泛的用途。然而，要完整描述一个声场，需要用到声压和三个正交方向的质点振速，此时三维矢量传声器能够大显身手。

本文介绍三维矢量传声器如何实现声源定位功能。

传统噪声源定位方案的软硬件和理论算法较为成熟，市场上也有较多商用产品。但是标量传声器阵列的波束主瓣宽度随着频率降低而逐渐变大，以至于无法对低频声信号进行高分辨噪声源定位。而大部分机械噪声能量集中在1000Hz以下的低频信号段，尤其是300~500Hz，甚至更低频段，此时传统的标量传声器阵列，或者说标量声像仪无法实现类似高频段的高性能测量。

三维矢量传声器方案

三维矢量传声器能够同时测量空间中给定点三个维度的声质点振速和标量声压信号，因此单个三维矢量传声器能够完成水平360°和垂直180°空间内的声源定位。此外，三维矢量传声器的每一维质点振速测量模块具有与频率无关的8字指向性，使得三维矢量传声器的三维波束主瓣宽度与频率无关，即低频条件下仍具有较好的定向性能。因此单个三维矢量传声器可用于中近距离的声源定位，或者空间三维声场测量，如管道气体泄漏噪声、机械异常噪声检测定位、近场语音定向拾取等。

若进一步采用多个三维矢量传声器组成矢量阵列进行噪声源定位，则可综合矢量阵列空间增益和低频测量优势，实现中远距离噪声源的定向，尤其是中低频带噪声的高性能噪声源定向。例如户外区域半径百米范围内人员尖叫、交通事故噪声、天然或电力站场的异常噪声监测定位、低空飞行器探测等。

室内定向测试

下面给出了室内环境下单个三维矢量传声器的定向测试，其中声源位置固定，通过分段截取接收信号进行方位角和俯仰角估计，可以看到定向结果非常稳定。

当声源在50°350°之间往返运动时，三维矢量传声器仍然能够准确的反应角度变化情况：

室外定向测试方位角估计性能

如下图所示，单个三维矢量传声器户外测量蓝牙音箱噪声方位，音箱固定不动，方位角为0度。

下图为蓝牙音箱放置在90度方位角时的测试结果。

下图为方位角270度时的结果。

户外定向测试俯仰角估计性能

类似上面户外测试，蓝牙音箱位于俯仰角0度时的测试结果如下图所示。

蓝牙音箱降低高度，即俯仰角为-15度时测试结果如下图。

蓝牙音箱升高高度，即俯仰角为30度时测试结果如下图。

总结

本次USP测试中定位算法为公司自主研发，算法中定义X轴负方向为方位角0度，方位角逆时针旋转增大，方位角范围：[0,360）。定义Z轴正向俯仰角范围：[-90，0]，Z轴负向俯仰角范围：[0,90]。测量结果与实际方位基本一致，且较为稳定。

南京粒子声学科技（简称粒子声学）是一家专业的声学设备供应商和声学服务公司。核心团队来自中国科学院声学研究所与南京大学。粒子声学专注于MEMS热线矢量麦克风及相关矢量声学测量仪器的研发、生产与技术服务。公司在工业监测、智能安防、减振降噪和消费电子领域，与船舶、航空航天、公共安全、轨道交通、环境保护和国防等领域的企业事业用户合作，不仅提供高质量MEMS矢量声学传感器件与设备，而且可为细分行业应用提供全套解决方案。

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