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麦克风声源定位原理_声⾳测距原理
很多动物依赖于声⾳来感知外部的环境，像夜间活动的蝙蝠、树鼩，海洋⾥的⽣物鲸鱼、海豚等。声呐定位不仅给它们提供了追踪猎物、躲避天敌的⽅法，有时也为寻觅配偶提供⽅便。
依靠听觉定位的动物
⼯业⾰命之后，⼈类开始利⽤声呐技术去探测海洋、地球内部、⾝体超声检测等。下⾯通过实际信号延迟测量，说明声⾳测距原理。 声⾳测距基本原理
根据声⾳信号测量距离，所使⽤的原理就是通过声⾳在空⽓中传播的速度和时间差来测量声源与接收器之间的距离：
其中需要解决以下⼏个问题：
1. 如何知道声⾳发出的起始时间 ？
2. 如何确定声⾳接收到的时间 ？
3. 如何确定声⾳在空⽓中的传播速度：？空⽓中声⾳测距⽰意图
第三个问题⽐较容易确定，在⼀般情况下，空⽓中声⾳传播的速度为：
其中：是空⽓温度；是空⽓膨胀系数，它等于 1/°C。是空⽓在零摄⽒度时传播速度，⼤约为331m/s。
前两个问题本质上是确定声⾳传播时间差。在有些情况下，往往发出声⾳波形和时刻是知道的，需要
测量的是接收到的声⾳信号与发送的信号之间的延时。新型建筑模板
⼀种⽐较简便的⽅法就是使⽤相关法来确定。假若声⾳在传播过程只是发⽣幅度衰减、时间的延迟以及叠加了⼀些噪声： 门控
系统那么将接收到的信号与原来发送信号做互相关运算：
则相关结果的极⼤值对应的时间就与实际信号延迟相⼀致。因此便可以得到接受信号与发送信号之间的延迟了。 两个零均值信号相关运算
为了得到精确的时间延迟，也就是希望信号相关结果出现的峰值越尖锐越好，作为测距的声⾳信号需要频谱较宽，⽐如时间很短的脉冲信号、具有变频的Chirp信号、⽩噪声信号等等。利⽤声⾳定位的动物们常常使⽤的是Chirp信号。
实测发送和接收信号的相关结果
在这⾥实际测量从⾳响发出的⼀段频率从50~2000Hz，声⾳长度为250ms的声⾳，由附近的⼩型驻极体麦克风接收放⼤后，经过10kHz 的AD转换，形成接收到的数据。
实验中的蓝⽛⾳箱和接收声⾳麦克风
下图显⽰了发送信号Chirp信号(蓝⾊)与接收到的信号(黄⾊)波形。由于接收麦克风距离⾳箱很近，所以两者之间的基本上没有延迟。
与前⾯分析的不同的是，这两个信号之间不仅仅是整体幅值变化、时间延迟以及有叠加的噪声，⽽是对于不同的频率段幅值的衰减变化是不
相同的。
实测发送信号(蓝⾊)和接收信号(黄⾊)
将这两个信号去除平均值之后，做相关运算：车门限位器
所得到的结果如下图所⽰。可以看到在它们相重合的时间点有很强的峰值出现，这为测量两个信号之间的延迟时间提供了很好的帮助。
怎么扣出水指法图
实测信号的相关结果
⾳响和麦克风的频率特性对信号的影响
之所以出现接受信号的幅度会出现⽐较凌乱的变化，是因为⾳响和麦克风所组成的信号传输系统不是⼀个纯延迟系统，它对于不同频率具有不同的幅度增益和相位延迟，分别称为系统的幅频特性和相频特性，合在⼀起就是系统的频率特性。
鸽钟
系统的频率特性可以由系统的传递函数直接计算出来，也可以通过实际扫频完成对幅频和相频特性的测量。下⾯通过发送不同频率的信号，分别测量得到上述声⾳发送和接收系统的在不同频率下的幅值增益和相位延迟特性。
不同频率下发送和接收信号的波形变化
下图给出了从50Hz到2000赫兹区间内，⾳响-麦克风的福特特性(蓝⾊曲线)和相频特性(黄⾊曲线)。可以看到该系统基本上是⼀个200Hz 到1500Hz之间的带通系统。太⾼的频率和太低的频率，接收到的声⾳都被衰减到⼆分之⼀(-6db)以下下。
相位变化在-180°到180°之间，如果考虑到相位从180°跳转到-180°实际上是连续取值，所以整体上相位呈现随着频率为线性递减关系，反映了随着频率的增加，相位延迟线性增加，相位变化斜率就是声⾳延迟的时间。
显然，⾳响和麦克风的频率响应区间越宽越平坦对于声⾳定位就越有利。否则声⾳信号中的⾼频信息被滤除很多之后，相关结果的峰值就会变得更宽了，使得测量结果的⽅差增⼤。
⾳响和麦克风系统的幅频特性和相频特性
如何提⾼声⾳延迟测量精度?
为了能够更加精确测量声⾳的延迟时间，进⽽提⾼距离测量精度，需要从以下⼏个⽅⾯来设计系统：
1. 提⾼声⾳扫频的范围，特别是⾼频范围。越宽的扫频范围，就是的相关结果峰值越窄，测量结果的⽅差越⼩；在允许的情况下，选择
频响更宽的⾳响和麦克风传感器。
2. 增加扫频信号的时间长度，这可以在⼀定程度上抑制周围环境噪声的影响；
3. 设计的声⾳范围需要根据实际系统的频率特性来选择，尽可能选择增益⾼，相位线性度好的区间，这样可以在相同的发射信号功率、
接收时间的条件下，取得更加稳定的结果。
4. 根据信号频带范围，设计合理的信号采样频率，避免频率混叠对结果的影响。
实验电路板
相关运算⽐较费时，在实时处理的可以使⽤快速傅⾥叶变换来加速相关结果的计算。
本⽂的实验是为智能车竞赛声⾳信标系统测试结果。详细的测试数据和之后补充的结果可以看CSDN中的相关博⽂。
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