[發(fā)明專利]基于主動旋轉(zhuǎn)的聲源定向裝置及其應(yīng)用方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410283375.3
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104035065A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫昊;陳萌;楊鵬;范智美;徐勤奇
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 胡安朋

1.基于主動旋轉(zhuǎn)的聲源定向裝置，其特征在于：包括聽覺傳感器、聲源信號微處理器和上位機(jī)，其中，所述聽覺傳感器是三元正三角形結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，三個麥克風(fēng)分別位于該三元正三角形結(jié)構(gòu)的三個頂點(diǎn)，該麥克風(fēng)陣列安裝在一個能夠主動旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)上面，所述聲源信號微處理器由聲音信號放大模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，所述上位機(jī)為安裝了NIDAQ驅(qū)動的PC機(jī)，該上位機(jī)中存儲有時(shí)延計(jì)算模型、方位角計(jì)算模型和麥克風(fēng)陣列定向流程程序；聽覺傳感器與聲音信號放大模塊之間、聲音信號放大模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間均用導(dǎo)線相互連接，數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)之間用USB數(shù)據(jù)線連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于主動旋轉(zhuǎn)的聲源定向裝置，其特征在于：所述三元正三角形結(jié)構(gòu)是用硬質(zhì)材料做成的正三角形構(gòu)架，其尺寸是三角形的邊長為10cm，所述三個麥克風(fēng)均選用MPA201駐極體麥克風(fēng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于主動旋轉(zhuǎn)的聲源定向裝置，其特征在于：所述聲音放大模塊采用集成運(yùn)算放大器LM324，所述數(shù)據(jù)采集模塊采用NI9215A數(shù)據(jù)采集卡。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于主動旋轉(zhuǎn)的聲源定向裝置，其特征在于：所述時(shí)延計(jì)算模型和方位角計(jì)算模型一起共同完成聲源方位角計(jì)算，其具體步驟如下：

第一步，設(shè)定三個麥克風(fēng)的坐標(biāo)：

麥克風(fēng)陣列為正三角形模型，三個麥克風(fēng)分別位于該正三角形結(jié)構(gòu)的三個頂點(diǎn)S₁、S₂和S₃，O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，同時(shí)也是正三角形的中心，設(shè)Q為聲源目標(biāo)，坐標(biāo)為(x，y)，坐標(biāo)系原點(diǎn)到目標(biāo)聲源點(diǎn)的距離OQ＝r，定義將X軸正半軸沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動到與OQ重合所經(jīng)過的角度為方位角α，α取值0度～360度，假設(shè)S₁到坐標(biāo)系原點(diǎn)O的距離為a，則三個麥克風(fēng)的坐標(biāo)分別為：S₁(0,a)，

第二步，由時(shí)延計(jì)算模型進(jìn)行麥克風(fēng)陣列中各個麥克風(fēng)相對的時(shí)延估計(jì)：

在一個根據(jù)測定環(huán)境條件選定的位置，用麥克風(fēng)陣列采集一段時(shí)間為10ms～30ms的目標(biāo)聲音信號，聲音信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳到上位機(jī)，上位機(jī)首先計(jì)算出聲音信號到達(dá)分別位于正三角形的三個頂點(diǎn)的三個麥克風(fēng)之間的相對時(shí)間差，即聲音信號到達(dá)麥克風(fēng)S₂和麥克風(fēng)S₃的時(shí)刻與聲音信號到達(dá)麥克風(fēng)S₁的時(shí)刻之間的時(shí)延值，具體方法如下：

假設(shè)兩個麥克風(fēng)接收聲音信號的離散事件信號模型的坐標(biāo)為：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)????(1)

上式中，α_i為聲源信號的衰減系數(shù),s(t)為聲源目標(biāo)信號，x_i(t)為麥克風(fēng)采集的聲音信號,n_i(t)為聲源附加的噪聲信號,τ₁₂為兩個麥克風(fēng)拾取聲音信號的延遲時(shí)間，即時(shí)延值。

將采集的聲音信號x_i(t),i＝1,2通過傅里葉變換，由時(shí)域轉(zhuǎn)化成頻域信號X_i(ω),其互功率譜函數(shù)為：

GX1X2(ω)=X1(ω)X2*(ω)---(2)]]>

其互相關(guān)函數(shù)為：

Rx1x2(τ)=∫0πGX1X2(ω)ejωτdω---(3)]]>

最后進(jìn)行峰值檢測，互相關(guān)函數(shù)的峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)的點(diǎn)就是麥克風(fēng)S₂和與麥克風(fēng)S₁之間的時(shí)延值τ₂₁，用同樣的方法可以計(jì)算出麥克風(fēng)S₃與麥克風(fēng)S₁之間的時(shí)延值τ₃₁；

第三步，由方位角計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算聲源目標(biāo)在麥克風(fēng)陣列位姿下的方位角α：

從上述第二步得到聲音信號到達(dá)麥克風(fēng)S₂和麥克風(fēng)S₃的時(shí)刻與聲音信號到達(dá)麥克風(fēng)S₁的時(shí)刻之間的時(shí)延值分別為：τ₂₁、τ₃₁，

這時(shí)得出聲源的方位角公式為：

β≈arctan3τ31-τ21τ31+τ21---(4)]]>

上述公式(4)中，β是方位角的統(tǒng)稱，因?yàn)橄笙薜年P(guān)系，上述公式(4)計(jì)算得出的方位角β的角度不一定在規(guī)定方位角范圍內(nèi)，公式(4)arctan計(jì)算的結(jié)果范圍為-90度到90度，而所需要的規(guī)定方位角結(jié)果范圍為0度到360度,這就需要進(jìn)行分象限處理，經(jīng)由如下的方位角象限處理過程，得出聲源目標(biāo)在麥克風(fēng)陣列位姿的方位角α為：

當(dāng)計(jì)算結(jié)果β＞0時(shí)，并且τ₃₁＞0時(shí)，方位角α＝β，

當(dāng)計(jì)算結(jié)果β＞0時(shí)，并且τ₃₁＜0時(shí)，方位角α＝180+β，

當(dāng)計(jì)算結(jié)果β＜0時(shí)，并且τ₂₁＞0時(shí)，方位角α＝β+360，

當(dāng)計(jì)算結(jié)果β＜0時(shí)，并且τ₂₁＜0時(shí)，方位角α＝180+β。