Application of multilateration for microphone localization using audio samples at room scale

Abstract

To capture sound emissions of industrial machines (e.g., heat pumps) that are resolved in terms of frequency, time and space, an acoustic dome geometry with up to 64 microphones is used. Exact coordinates of all microphones are needed to ensure reproducibility of measurements as foundation for other algorithms (e.g., sound power level analysis) and for visualization purposes (plots and augmented reality applications).

As the coordinates are difficult and imprecise to produce by hand, an acoustic solution independent of hardware and software using multilateration and Time Difference of Arrival is being developed to automatically and efficiently determine their position.

The calculation procedure starts with playing predetermined audio samples (based on a sequence of non-repeatable numbers) on speakers with known coordinates and recording the microphone data. By cross-correlating the sent data with the recorded data, it is possible to extract the signal travel times. These propagation times, the precisely known coordinates of the speakers and the temperature-dependent speed of sound are used as input for the multilateration algorithm, which returns the coordinates of the microphones.

Within the accuracy required for the application, the system works for measurements in line of sight. Performance degrades in settings with too many multipath effects (reflection and diffraction), which may cause unrecoverable loss of information.

Several validation measurements and simulations were conducted. Various error sources with possible fixes are identified and discussed.

Zusammenfassung

Zur Erfassung von frequenz-, zeit- und ortsaufgelösten Schallemissionen von Industriemaschinen (z. B. Wärmepumpen) wird ein akustischer Dom mit bis zu 64 Mikrofonen verwendet. Exakte Koordinaten aller Mikrofone werden benötigt, um die Reproduzierbarkeit der Messungen zu gewährleisten, als Grundlage für andere Algorithmen (z. B. Schallleistungspegelanalyse) und für Visualisierungszwecke (Plots und Augmented Reality-Anwendungen).

Da die Koordinaten von Hand nur schwer und ungenau zu ermitteln sind, wird eine hard- und softwareunabhängige akustische Lösung unter Verwendung von Multilateration und Time Difference of Arrival entwickelt, um deren Position automatisch und effizient zu bestimmen.

Die Berechnungsprozedur beginnt mit dem Abspielen eines vorgegebenen Audio-Samples (basierend auf einer Sequenz von nicht wiederholbaren Zahlen) auf Lautsprechern mit bekannten Koordinaten und der Aufzeichnung der Mikrofondaten. Durch Kreuzkorrelation der gesendeten mit den aufgezeichneten Daten lassen sich die Signallaufzeiten extrahieren. Diese Laufzeiten, die genau bekannten Lautsprecherkoordinaten und die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit dienen als Eingabe für den Multilaterationsalgorithmus, der die Koordinaten der Mikrofone zurückliefert.

Innerhalb der für die Anwendung erforderlichen Genauigkeit funktioniert das System für Messungen in Sichtlinie. Die Leistung verschlechtert sich in Umgebungen mit zu vielen Mehrwegeffekten (Reflexion und Beugung), die einen nicht wiederherstellbaren Informationsverlust verursachen können.

Es wurden mehrere Validierungsmessungen und Simulationen durchgeführt. Verschiedene Fehlerquellen mit möglichen Lösungsansätzen zur Behebung werden identifiziert und diskutiert.