[发明专利]一种三维立体声音信号采集装置

权利要求书

1.一种三维立体声音信号采集装置，其特征在于,包括三个声音传感器、一个底座和四根滑动横梁；三个声音传感器分别为第一声音传感器，第二声音传感器和第三声音传感器；滑动横梁分别为第一滑动横梁，第二滑动横梁，第三滑动横梁和第四滑动横梁；

第二滑动横梁固定在底座上，与底座垂直；第二滑动横梁上等间距设有开孔，在顶端固定第一滑动横梁，用于固定第一声音传感器；底端固定第四滑动横梁，第一和第四滑动横梁通过第二滑动横梁的开孔上下滑动，调节不同高度；

第一滑动横梁上等间距设有开孔，第一声音传感器通过不同的孔前后移动；

第四滑动横梁上等间距设有开孔，在第四滑动横梁上水平地垂直安装第三滑动横梁，且第三滑动横梁在第四滑动横梁上前后移动；

第三滑动横梁用于固定第二声音传感器和第三声音传感器，同样等间距设有开孔，两个声音传感器在第三滑动横梁上左右移动；

所述的三维立体声音信号采集装置固定在三角支架上，放置在高压断路器操动机构的正前方，当高压断路器发生机械故障产生声音时，估算声源空间位置的具体过程如下：

步骤一、计算声源到达任意两个声音传感器的距离差，即声程差a；

计算公式为：

a＝v×τ  (1)

τ为声音到达两个不同位置声音传感器的时间差；v为空气中的声音传播速度；

步骤二、当声音传感器与声源在同一平面时，确定声源的平面位置；

具体为：根据到达第一声音传感器和第三声音传感器的时间差τ₁，确定双曲线a₁，同样，根据到达第二声音传感器和第三传感器的时间差τ₂，确定双曲线a₂，根据两条双曲线的交点，即可确定出声源的平面位置；

步骤三、当声音传感器与声源不在同一平面时，且声源与三维立体声音信号采集装置的距离r满足时，声音以球面波的形式通过媒介向四周扩散；当距离r不满足上述条件时，声波以平面波的形式传输给声音采集装置；

其中，L为声音采集装置的直径，λ为声波的波长；

步骤四、当声音以球面波的形式向四周扩散时，设定三维立体声音信号采集装置的底座为坐标原点，以左右方向为x方向，前后方向为y轴方向，以上下方向为z方向，构建三维声源模型用于确定声源的三维坐标；

具体分为以下情况：

(1)情况一：当高压断路器由于机械故障发出声音时，已知声源的某个维度坐标，仅通过三维立体声音信号采集装置获知故障声源另外两方向的坐标，即可判断故障声源的位置，实现声源定位；

以y方向的坐标y0已知，计算声源x方向和z方向的空间定位的具体计算为：

第一声音传感器的坐标为(x1，y1，z1)，第二声音传感器的坐标为(x2，y2，z2)，第三声音传感器的坐标为(x3，y3，z3)，声源的三维坐标为(x，y0，z)；

表达式如下：

a₂₁＝v×τ₂₁  (4)

a₃₁＝v×τ₃₁  (5)

以声源到达第一声音传感器的时间为基准，到达第二声音传感器的延时为τ₂₁毫秒，到达第三声音传感器的延时为τ₃₁毫秒；此时，两个方程两个未知量x和z，无需调整三个声音传感器的相对位置，只需一次计算，即可快速确定高压断路器的机械故障声源坐标；

为了实现快速计算获取故障声源坐标，将二元二次等式问题转化成含有不等式约束的最优化求解问题；表达式如下：

min FF＝f₁+f₂

a₂₁＝v×τ₂₁

a₃₁＝v×τ₃₁

f₁≥0

f₂≥0

(2)情况二：当适用情况不仅仅针对高压断路器的机械故障定位，需要同时确定声源的x方向、y方向、z方向三维坐标时，通过调整三个声音传感器的位置，获取多组坐标及方程，再利用声源到各传感器的延时，计算声源的空间定位；

表达式如下：

a₂₁＝v×τ₂₁  (8)

a₃₁＝v×τ₃₁  (9)

两个方程对应三个未知量(x，y，z)，需要调整声音传感器的位置，再次采集同种故障的三维声音信息，得出基于时延的声源定位；调整声音传感器时，通过仅调节一个声音传感器的位置，或者同时调节两个或者三个声音传感器的位置，具体调节方式根据实际需要确定；

调节声音传感器的位置，具体过程如下：

I)、当仅仅调节一个声音传感器的位置，其余两个声音传感器保持不动时，当选择第一声音传感器进行调整时，表达式如下：

a₂₁₁＝v×τ₂₁₁  (12)

a₃₁₁＝v×τ₃₁₁  (13)

第一声音传感器调整后的坐标为(x11，y11，z11)，以声源到达第一声音传感器的时间为基准，到达第二声音传感器的延时为τ₂₁₁毫秒，到达第三声音传感器的延时为τ₃₁₁毫秒；

此时，联立四个方程(6)(7)(10)和(11)求解三个未知量(x，y，z)，从四组方程中任意选取三组方程求解三个待求未知数，共有四种组合方法，获得四次声源三维坐标，最后对四个坐标结果求平均值，即为最终的声源三维坐标；

同理，当仅仅调节一个传感器时，当选择第二声音传感器或第三声音传感器进行调整时，上述公式(10)和(11)中，第一声音传感器的坐标为(x1，y1，z1)保持不变，第二声音传感器的坐标更新为(x22，y22，z22)，或者第三声音传感器的坐标更新为(x33，y33，z33)；此时两种情况下均是三个方程对应三个未知量，得到唯一的求解结果为最终的声源三维坐标；

II)、当需要同时调整任意两个声音传感器或三个声音传感器时，上述公式(10)和(11)均发生变化，联立构成了四个方程(6)(7)(10)和(11)求解三个未知量(x，y，z)；从四组方程中任意选取三组方程求解三个待求未知数，将三元二次等式问题转化成含有不等式约束的最优化求解问题，共有四种组合方法，获得四次声源三维坐标，最后对四个坐标结果求平均值，即为最终的声源三维坐标；

为了实现快速计算获取故障声源坐标，且避免因为误差存在导致三组等式方程组出现无解的现象，将三元二次等式问题转化成含有不等式约束的最优化求解问题；

表达式如下：

min FF＝f₁+f₂+f₃

a₂₁＝v×τ₂₁

a₃₁＝v×τ₃₁

a₂₂₁₁＝v×τ₂₂₁₁

f₁≥0

f₂≥0

f₃≥0。