一種快速室內(nèi)聲源定向裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲源的定位方法及裝置，尤其是一種室內(nèi)聲源的定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)聲源探測(cè)及定位技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，傳聲器陣列信號(hào)處理技術(shù)也日臻成 熟，出現(xiàn)了一系列基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)。按照定位原理分類(lèi)，目前的傳感器陣列 定位技術(shù)主要有三類(lèi):1)最大輸出功率的可控波速形成技術(shù);2)高分辨率譜估計(jì)技術(shù);3)基 于到達(dá)時(shí)間差的技術(shù)?？煽夭ㄋ偌夹g(shù)需要具有聲源及環(huán)境噪聲等先驗(yàn)知識(shí)，所以實(shí)現(xiàn)難度 較大。高分辨率譜估計(jì)技術(shù)的計(jì)算量較大，當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。基于 到達(dá)時(shí)間差的定位方法具有計(jì)算量小的特點(diǎn)，但其對(duì)傳感器間的放置距離具有一定要求， 通常要求傳感器間的距離需大于〇.5m且不存在遮擋，所以該方法不適用于小型設(shè)備的室內(nèi) 聲源定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種快速室內(nèi)聲源定向裝置，包括麥克風(fēng)傳感 器陣列，所述麥克風(fēng)傳感器陣列是有至少4個(gè)麥克風(fēng)傳感器背靠背緊湊安裝組成，所有麥克 風(fēng)傳感器的指向角度之和為360°，每個(gè)麥克風(fēng)傳感器的軸向與墻面交匯處，還安裝有相匹 配的匯聚面，所述匯聚面能將聲源輻射到匯聚面上的聲場(chǎng)信號(hào)反射至麥克風(fēng)傳感器。
[0004] 在上述方案的基礎(chǔ)上，所述匯聚面呈碗狀，且匯聚面與墻體采用不同的材料。
[0005] 在上述一種快速室內(nèi)聲源定向裝置的定向方法，其步驟如下： 各麥克風(fēng)傳感器獲取聲場(chǎng)信號(hào)， 計(jì)算各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 比較各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 確定聲場(chǎng)信號(hào)的聲源方向。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明對(duì)麥克風(fēng)陣列中麥克風(fēng)間的距離要 求低，可有效降低麥克風(fēng)陣列所需空間體積，實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備的聲源定位;采用反射面采集聲 場(chǎng)信號(hào)，有效的減低遮擋對(duì)測(cè)量精度的影響;本發(fā)明的定位速度更快，定位更準(zhǔn)確，抗干擾 的能力更強(qiáng)。
[0007]
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是麥克風(fēng)傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明原理不意圖； 圖3是麥克風(fēng)傳感器定義過(guò)程示意圖。
[0009] 附圖標(biāo)記說(shuō)明： 1-聲源;2-麥克風(fēng)傳感器陣列；3-匯聚面;4-墻面;5-聲源路徑一;6-聲源路徑二;7-聲 源路徑三； 21--號(hào)麥克風(fēng);22-二號(hào)麥克風(fēng);23-三號(hào)麥克風(fēng);24-四號(hào)麥克風(fēng)。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā) 明的保護(hù)范圍。
[0011] 本發(fā)明涉及本發(fā)明提供一種快速室內(nèi)聲源定向裝置，包括麥克風(fēng)傳感器陣列，所 述麥克風(fēng)傳感器陣列是有至少4個(gè)麥克風(fēng)傳感器背靠背緊湊安裝組成，所有麥克風(fēng)傳感器 的指向角度之和為360°，每個(gè)麥克風(fēng)傳感器的軸向與墻面交匯處，還安裝有相匹配的匯聚 面，所述匯聚面能將聲源輻射到匯聚面上的聲場(chǎng)信號(hào)反射至麥克風(fēng)傳感器。
[0012] 所述匯聚面呈碗狀，且匯聚面與墻體采用不同的材料。
[0013] 以矩形房間內(nèi)的聲源1定位為例。如圖1所示，本方案采用4個(gè)麥克風(fēng)組成麥克風(fēng)傳 感器陣列2,麥克風(fēng)具有較小的導(dǎo)向角，導(dǎo)向角為90度。一至四號(hào)麥克風(fēng)背向安置，其組成的 麥克風(fēng)陣列的導(dǎo)通角覆蓋360度。麥克風(fēng)輸出端與音頻編解碼器相連。音頻編解碼器對(duì)模擬 音頻信號(hào)做A/D轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號(hào)序列。音頻編解碼器輸出信號(hào)被導(dǎo)入數(shù)字信號(hào)處理芯 片，進(jìn)而對(duì)聲源方向進(jìn)行定位。
[0014] 本實(shí)例中匯聚面與麥克風(fēng)之間的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。將四個(gè)麥克風(fēng)軸向與 墻面的交接點(diǎn)作為匯聚面安裝位置，在該位置上安裝碗狀的匯聚面，該匯聚面曲率與匯聚 面到其對(duì)應(yīng)的麥克風(fēng)間的距離相關(guān)。設(shè)各匯聚面到對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)傳感器的距離分別為H，f2， f3和f4。匯聚面將聲源輻射到匯聚面上的聲場(chǎng)信號(hào)反射至麥克風(fēng)。
[0015] 定位單元由數(shù)字處理芯片及其附屬電路組成。定位單元由數(shù)字處理芯片控制數(shù)據(jù) 采集，并對(duì)采集到數(shù)據(jù)及其采集時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0016]進(jìn)一步的，在上述一種快速室內(nèi)聲源定向裝置的定向方法，其步驟如下： 各麥克風(fēng)傳感器獲取聲場(chǎng)信號(hào)， 計(jì)算各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 比較各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 確定聲場(chǎng)信號(hào)的聲源方向。
[0017] 將圖1所示的麥克風(fēng)陣列放置于圖2所示位置，其一號(hào)麥克風(fēng)21朝向正上方，二號(hào) 麥克22風(fēng)朝向右側(cè)，三號(hào)麥克風(fēng)23朝向正下方，四號(hào)麥克風(fēng)24朝向左側(cè)。
[0018] 首先以面向聲源的一號(hào)麥克風(fēng)21為例進(jìn)行分析，理想情況下的聲場(chǎng)分布模型可以 用球形描述。但在圖2所示的室內(nèi)環(huán)境中，墻面會(huì)反射聲場(chǎng)信號(hào)，使得聲場(chǎng)分布不再符合球 形分布。一號(hào)麥克風(fēng)不僅能夠接收到聲源1沿路徑一5直接傳輸來(lái)的音頻信號(hào)，還可以接收 到墻面及布置匯聚面折射回來(lái)的路徑二6和路徑三7的音頻信號(hào)。除直接入射的經(jīng)路徑一 5 的聲音信號(hào)外，其它反射路徑的聲波傳輸距離要遠(yuǎn)大于路徑一5。由于空氣和墻面對(duì)聲場(chǎng)傳 輸?shù)乃p作用，所以經(jīng)一般反射路徑傳輸?shù)穆晥?chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于直射聲場(chǎng)強(qiáng)度。匯聚面采用 與墻面不同的介質(zhì)，具有較低的吸收系數(shù)，且其形狀設(shè)計(jì)將相鄰區(qū)域的聲場(chǎng)信號(hào)匯聚子一 號(hào)麥克風(fēng)21，所以經(jīng)路徑二6的聲音信號(hào)的強(qiáng)度要顯著大于其它反射聲音信號(hào)。一號(hào)麥克風(fēng) 21所接收到的聲音信號(hào)的主分量是沿路徑一和路徑二傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)，其它反射的弱信號(hào) 可被視為背景噪聲，可以采用數(shù)字濾波的方法加以濾除。
[0019] 以一號(hào)麥克風(fēng)21接收到的通過(guò)路徑一 5和路徑二6傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)為例： 經(jīng)路徑一 5傳輸信號(hào)為=呼食-5)+?的 經(jīng)路徑二6傳輸信號(hào)為巧的=32攻-:):+%_ 其中4為不同傳輸通道的音頻衰減，w⑷和％(￡)為環(huán)境加性噪聲，為聲源信 號(hào)，和·為路徑1與2的延時(shí)。
[0020] 對(duì)背向聲源的二、三、四號(hào)麥克風(fēng)22、23、24所接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行分析 本設(shè)計(jì)以四號(hào)麥克風(fēng)24接收到的信號(hào)為例。四號(hào)麥克風(fēng)24僅能接收到的匯聚面的反射 信號(hào)和漫反射信號(hào)。由于漫反射的聲音信號(hào)的強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于經(jīng)路徑三7傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)，所 以經(jīng)過(guò)路徑三7傳輸至四號(hào)麥克風(fēng)24的聲音信號(hào)可以表述成 經(jīng)路徑二7傳輸{目號(hào)為-- 進(jìn)一步的，聲場(chǎng)方向的粗粒度分析，如果某個(gè)麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)中有不止一個(gè)的 主分量，貝U聲源處于該麥克風(fēng)的接收?qǐng)鲋?。在本例中，聲?chǎng)處于一號(hào)麥克風(fēng)21的接收范圍 內(nèi)，即處于45°到135°的夾角內(nèi)。
[0021] 通過(guò)計(jì)算：qft和信號(hào)相干性汽來(lái)估計(jì)一號(hào)麥克風(fēng)所接收到的聲音信號(hào) 的時(shí)延差為T(mén) = 。過(guò)程如下
根據(jù)τ值，可以判定路徑一 5和路徑二6中哪一個(gè)是直射路徑。在本例中，路徑一 5為一 號(hào)麥克風(fēng)21的直射路徑。
[0022] 由于麥克風(fēng)的定向性，圖2所示四號(hào)麥克風(fēng)24所接收到的最強(qiáng)聲場(chǎng)信號(hào)為墻面的 反射信號(hào)。雖然一號(hào)麥克風(fēng)21與四號(hào)麥克風(fēng)24的物理距離較近，但他們所接收到的聲音信 號(hào)所經(jīng)過(guò)路徑的長(zhǎng)度顯著不同。同理各麥克風(fēng)接收到的聲場(chǎng)信號(hào)的路徑長(zhǎng)度和時(shí)延差都會(huì) 顯著不同。
[0023] 進(jìn)一步的聲場(chǎng)方向的細(xì)粒度分析，在粗粒度探測(cè)聲場(chǎng)方向的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步對(duì) 聲源方向定位。以一號(hào)麥克風(fēng)21所指向的45°到135°夾角為例。為進(jìn)一步確定聲源位于45° 至Ij90°區(qū)域還是90°到135°區(qū)域還需要進(jìn)一步檢測(cè)二號(hào)麥克風(fēng)22和四號(hào)麥克風(fēng)24的延時(shí)狀 況。
[0024] 通過(guò)檢測(cè)一號(hào)麥克風(fēng)和四號(hào)麥克風(fēng)所接收到聲音相干性，可以判斷聲音經(jīng)不同路 徑傳輸?shù)臅r(shí)延為^二5-? 同理，可以獲得一號(hào)麥克風(fēng)21和二號(hào)麥克風(fēng)22所接收到的信號(hào)時(shí)延為
進(jìn)一步的，增加麥克風(fēng)傳感器的數(shù)量，減小各麥克風(fēng)的接收區(qū)域，能更精確的判別聲源 所處的角度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速室內(nèi)聲源定向裝置，包括麥克風(fēng)傳感器陣列，其特征在于，所述麥克風(fēng)傳感 器陣列是有至少4個(gè)麥克風(fēng)傳感器背靠背緊湊安裝組成，所有麥克風(fēng)傳感器的指向角度之 和為360°，每個(gè)麥克風(fēng)傳感器的軸向與墻面交匯處，還安裝有相匹配的匯聚面，所述匯聚面 能將聲源輻射到匯聚面上的聲場(chǎng)信號(hào)反射至麥克風(fēng)傳感器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速室內(nèi)聲源定向裝置，其特征在于，所述匯聚面呈碗 狀，且匯聚面與墻體采用不同的材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速室內(nèi)聲源定向裝置的定向方法，其步驟如下： 各麥克風(fēng)傳感器獲取聲場(chǎng)信號(hào)， 計(jì)算各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 比較各聲場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與延時(shí)， 確定聲場(chǎng)信號(hào)的聲源方向。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種快速室內(nèi)聲源定向裝置，包括麥克風(fēng)傳感器陣列，所述麥克風(fēng)傳感器陣列是有至少4個(gè)麥克風(fēng)傳感器背靠背緊湊安裝組成，所有麥克風(fēng)傳感器的指向角度之和為360°，每個(gè)麥克風(fēng)傳感器的軸向與墻面交匯處，還安裝有相匹配的匯聚面，所述匯聚面能將聲源輻射到匯聚面上的聲場(chǎng)信號(hào)反射至麥克風(fēng)傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明對(duì)麥克風(fēng)陣列中麥克風(fēng)間的距離要求低，可有效降低麥克風(fēng)陣列所需空間體積，實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備的聲源定位；采用反射面采集聲場(chǎng)信號(hào)，有效的減低遮擋對(duì)測(cè)量精度的影響；本發(fā)明的定位速度更快，定位更準(zhǔn)確，抗干擾的能力更強(qiáng)。
【IPC分類(lèi)】G01S3/802, G01S3/803
【公開(kāi)號(hào)】CN105548955
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610122938
【發(fā)明人】王慈
【申請(qǐng)人】上海易景信息科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年3月4日