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CN105548955A - 一种快速室内声源定向装置及方法 - Google Patents

一种快速室内声源定向装置及方法 Download PDF

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CN105548955A
CN105548955A CN201610122938.XA CN201610122938A CN105548955A CN 105548955 A CN105548955 A CN 105548955A CN 201610122938 A CN201610122938 A CN 201610122938A CN 105548955 A CN105548955 A CN 105548955A
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CN
China
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microphone
sound source
microphone sensor
convergence face
acoustic field
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Application number
CN201610122938.XA
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Inventor
王慈
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SHANGHAI INNOVATECH INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
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SHANGHAI INNOVATECH INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供一种快速室内声源定向装置，包括麦克风传感器阵列，所述麦克风传感器阵列是有至少4个麦克风传感器背靠背紧凑安装组成，所有麦克风传感器的指向角度之和为360°，每个麦克风传感器的轴向与墙面交汇处，还安装有相匹配的汇聚面，所述汇聚面能将声源辐射到汇聚面上的声场信号反射至麦克风传感器。本发明的优点在于：相较于现有技术，本发明对麦克风阵列中麦克风间的距离要求低，可有效降低麦克风阵列所需空间体积，实现小型设备的声源定位；采用反射面采集声场信号，有效的减低遮挡对测量精度的影响；本发明的定位速度更快，定位更准确，抗干扰的能力更强。

Description

一种快速室内声源定向装置及方法
技术领域
本发明涉及一种声源的定位方法及装置，尤其是一种室内声源的定位。
背景技术
近年来声源探测及定位技术得到长足发展，传声器阵列信号处理技术也日臻成熟，出现了一系列基于传声器阵列的声源定位系统。按照定位原理分类，目前的传感器阵列定位技术主要有三类：1）最大输出功率的可控波速形成技术；2）高分辨率谱估计技术；3）基于到达时间差的技术。可控波速技术需要具有声源及环境噪声等先验知识，所以实现难度较大。高分辨率谱估计技术的计算量较大，当传感器数量较多时，不能实现实时定位。基于到达时间差的定位方法具有计算量小的特点，但其对传感器间的放置距离具有一定要求，通常要求传感器间的距离需大于0.5m且不存在遮挡，所以该方法不适用于小型设备的室内声源定位。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种快速室内声源定向装置，包括麦克风传感器阵列，所述麦克风传感器阵列是有至少4个麦克风传感器背靠背紧凑安装组成，所有麦克风传感器的指向角度之和为360°，每个麦克风传感器的轴向与墙面交汇处，还安装有相匹配的汇聚面，所述汇聚面能将声源辐射到汇聚面上的声场信号反射至麦克风传感器。
在上述方案的基础上，所述汇聚面呈碗状，且汇聚面与墙体采用不同的材料。
在上述一种快速室内声源定向装置的定向方法，其步骤如下：
各麦克风传感器获取声场信号，
计算各声场信号的强度与延时，
比较各声场信号的强度与延时，
确定声场信号的声源方向。
本发明的优点在于：相较于现有技术，本发明对麦克风阵列中麦克风间的距离要求低，可有效降低麦克风阵列所需空间体积，实现小型设备的声源定位；采用反射面采集声场信号，有效的减低遮挡对测量精度的影响；本发明的定位速度更快，定位更准确，抗干扰的能力更强。
附图说明
图1是麦克风传感器阵列结构示意图；
图2是本发明原理示意图；
图3是麦克风传感器定义过程示意图。
附图标记说明：
1-声源；2-麦克风传感器阵列；3-汇聚面；4-墙面；5-声源路径一；6-声源路径二；7-声源路径三；
21-一号麦克风；22-二号麦克风；23-三号麦克风；24-四号麦克风。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明涉及本发明提供一种快速室内声源定向装置，包括麦克风传感器阵列，所述麦克风传感器阵列是有至少4个麦克风传感器背靠背紧凑安装组成，所有麦克风传感器的指向角度之和为360°，每个麦克风传感器的轴向与墙面交汇处，还安装有相匹配的汇聚面，所述汇聚面能将声源辐射到汇聚面上的声场信号反射至麦克风传感器。
所述汇聚面呈碗状，且汇聚面与墙体采用不同的材料。
以矩形房间内的声源1定位为例。如图1所示，本方案采用4个麦克风组成麦克风传感器阵列2，麦克风具有较小的导向角，导向角为90度。一至四号麦克风背向安置，其组成的麦克风阵列的导通角覆盖360度。麦克风输出端与音频编解码器相连。音频编解码器对模拟音频信号做A/D转换，形成数字信号序列。音频编解码器输出信号被导入数字信号处理芯片，进而对声源方向进行定位。
本实例中汇聚面与麦克风之间的相对位置关系如图2所示。将四个麦克风轴向与墙面的交接点作为汇聚面安装位置，在该位置上安装碗状的汇聚面，该汇聚面曲率与汇聚面到其对应的麦克风间的距离相关。设各汇聚面到对应麦克风传感器的距离分别为f1,f2,f3和f4。汇聚面将声源辐射到汇聚面上的声场信号反射至麦克风。
定位单元由数字处理芯片及其附属电路组成。定位单元由数字处理芯片控制数据采集，并对采集到数据及其采集时间进行存储。
进一步的，在上述一种快速室内声源定向装置的定向方法，其步骤如下：
各麦克风传感器获取声场信号，
计算各声场信号的强度与延时，
比较各声场信号的强度与延时，
确定声场信号的声源方向。
将图1所示的麦克风阵列放置于图2所示位置，其一号麦克风21朝向正上方，二号麦克22风朝向右侧，三号麦克风23朝向正下方，四号麦克风24朝向左侧。
首先以面向声源的一号麦克风21为例进行分析，理想情况下的声场分布模型可以用球形描述。但在图2所示的室内环境中，墙面会反射声场信号，使得声场分布不再符合球形分布。一号麦克风不仅能够接收到声源1沿路径一5直接传输来的音频信号，还可以接收到墙面及布置汇聚面折射回来的路径二6和路径三7的音频信号。除直接入射的经路径一5的声音信号外，其它反射路径的声波传输距离要远大于路径一5。由于空气和墙面对声场传输的衰减作用，所以经一般反射路径传输的声场强度要远低于直射声场强度。汇聚面采用与墙面不同的介质，具有较低的吸收系数，且其形状设计将相邻区域的声场信号汇聚子一号麦克风21,所以经路径二6的声音信号的强度要显著大于其它反射声音信号。一号麦克风21所接收到的声音信号的主分量是沿路径一和路径二传输的声音信号，其它反射的弱信号可被视为背景噪声，可以采用数字滤波的方法加以滤除。
以一号麦克风21接收到的通过路径一5和路径二6传输的声音信号为例：
经路径一5传输信号为
经路径二6传输信号为
其中、为不同传输通道的音频衰减，和为环境加性噪声，为声源信号，和为路径1与2的延时。
对背向声源的二、三、四号麦克风22、23、24所接收到的声音信号进行分析
本设计以四号麦克风24接收到的信号为例。四号麦克风24仅能接收到的汇聚面的反射信号和漫反射信号。由于漫反射的声音信号的强度要远小于经路径三7传输的声音信号，所以经过路径三7传输至四号麦克风24的声音信号可以表述成
经路径三7传输信号为
进一步的，声场方向的粗粒度分析，如果某个麦克风接收到声音信号中有不止一个的主分量，则声源处于该麦克风的接收场中。在本例中，声场处于一号麦克风21的接收范围内，即处于45°到135°的夹角内。
通过计算和信号相干性来估计一号麦克风所接收到的声音信号的时延差为。过程如下
根据值，可以判定路径一5和路径二6中哪一个是直射路径。在本例中，路径一5为一号麦克风21的直射路径。
由于麦克风的定向性，图2所示四号麦克风24所接收到的最强声场信号为墙面的反射信号。虽然一号麦克风21与四号麦克风24的物理距离较近，但他们所接收到的声音信号所经过路径的长度显著不同。同理各麦克风接收到的声场信号的路径长度和时延差都会显著不同。
进一步的声场方向的细粒度分析，在粗粒度探测声场方向的基础上，再进一步对声源方向定位。以一号麦克风21所指向的45°到135°夹角为例。为进一步确定声源位于45°到90°区域还是90°到135°区域还需要进一步检测二号麦克风22和四号麦克风24的延时状况。
通过检测一号麦克风和四号麦克风所接收到声音相干性，可以判断声音经不同路径传输的时延为
同理，可以获得一号麦克风21和二号麦克风22所接收到的信号时延为
当时，判别声源位于45°到90°区域
当时，判别声源位于90°到135°区域
进一步的，增加麦克风传感器的数量，减小各麦克风的接收区域，能更精确的判别声源所处的角度。

Claims (3)

1.一种快速室内声源定向装置，包括麦克风传感器阵列，其特征在于，所述麦克风传感器阵列是有至少4个麦克风传感器背靠背紧凑安装组成，所有麦克风传感器的指向角度之和为360°，每个麦克风传感器的轴向与墙面交汇处，还安装有相匹配的汇聚面，所述汇聚面能将声源辐射到汇聚面上的声场信号反射至麦克风传感器。
2.根据权利要求1所述的一种快速室内声源定向装置，其特征在于，所述汇聚面呈碗状，且汇聚面与墙体采用不同的材料。
3.根据权利要求1所述的一种快速室内声源定向装置的定向方法，其步骤如下：
各麦克风传感器获取声场信号，
计算各声场信号的强度与延时，
比较各声场信号的强度与延时，
确定声场信号的声源方向。
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