CN103557927A - 对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备，包括：第一激光器、第二激光器、光电检测装置、位移确定装置、声音还原装置。本发明中的声音检测设备采用两个激光器对声音源附近的可振动物体进行照射，通过确定经反射的两束激光之间的距离的变化来确定可振动物体的振动情况，并且根据这种振动情况来还原出声音源所发出的声音。本发明的声音检测设备的优点就是将光电检测装置对激光位置的检测转化为对两束激光之间距离的检测，将对点的检测转化为对线段的检测，这样操作能有效减小误差，线段越长，误差越小。

Description

对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备

技术领域

本发明涉及声音检测领域，具体而言，本发明涉及对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备。

背景技术

随着科技的发展，人们根据声波的特性，制造了多种多样的用于声音检测的仪器，从早期的有线声音检测，到后来的微型话筒声音检测等。

采用激光技术进行声音检测，可以听到人无法接近的房间内的声音信息。其基本原理就是利用一束看不见的红外激光发射到该房间的玻璃上，由于声音会引起玻璃的微小振动，通过接收由玻璃或镜子反射回来的激光，采集振动信息，将振动再还原成声音，就能实现远距离声音检测。这种声音检测可以用于各种领域，例如，在发生矿难时辅助对井下人员的救援、对犯罪分子进行远程监听等。

目前声音振动采集方法主要是将玻璃振动的位移转化为其他可测量的物理量，进行测量或求解，例如：利用一个光电二极管接收经振动玻璃反射回来的激光，并检测激光在其上的位移变化，就能推导出玻璃的位移变化；或是，根据迈克尔逊干涉原理，让经过待测玻璃反射回来的光和一束参考光发生干涉，通过测量干涉条纹变化来推导玻璃振动位移。最后将光电接收器上接收的光信号转换为电信号，并经过信号放大与处理，将电信号还原成声音。

这些方法就是都是设置一个红外激光器作为激光源，通过采集一束激光的位移变化信息，来推导玻璃的振动，是对激光点位置变化的直接测量。如图1所示，在待监听房间内声音很小的情况下，玻璃振动比较微弱，导致玻璃振动的测量误差比较大，检测效果不佳。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述缺点，本发明提出了一种新的声音检测设备，其测量误差小，检测效果好。

具体而言，本发明提供一种对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备，包括：第一激光器、第二激光器、光电检测装置、位移确定装置、声音还原装置，

所述第一激光器用于以第一发射角度朝向所述声音源附近的可振动物体表面发射第一激光束，其中，所述可振动物体能够响应于所述声音源发出的声音而振动；

所述第二激光器用于以不同于所述第一发射角度的第二发射角度朝向所述声音源附近的可振动物体表面发射第二激光束，其中，所述第一激光束与所述第二激光束在所述可振动物体表面处相交并且分别被所述可振动物体表面反射；

所述光电检测装置用于接收经反射的所述第一激光束和所述第二激光束并输出反映经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置的信号；

所述位移确定装置用于基于所述信号确定经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置，并确定所述第一激光束照射在所述光电检测装置上的位置与所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置二者之间的距离，其中，随着所述声音源发出的声音改变，经反射的所述第一激光束照射在所述光电检测装置上的位置与所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置以及二者之间的距离将随之相应变化，所述位移确定装置根据经反射的所述第一激光束和所述第二激光束的照射在所述光电检测装置上的位置的变化和所述距离的变化，确定所述可振动物体的振动；

所述声音还原装置用于基于经反射的所述第一激光束和所述第二激光束的照射在所述光电检测装置上的位置的变化和/或所述距离的变化以及所述可振动物体的振动还原所述声音源发出的声音。

优选地，所述第一激光束和所述第二激光束均为红外光并且二者的波长彼此不同。

优选地，所述可振动物体为所述声音源周围的玻璃。

优选地，所述光电检测装置为具有一定长度的光电二极管或者排列成一排的光电二极管阵列。

优选地，所述具有一定长度的光电二极管或者光电二极管阵列的长度方向处于所述第一激光束和所述第二激光束所构成的平面内。

优选地，所述光电检测装置确定所述第一激光束和所述第二激光束的中心光强的位置，并且确定所述第一激光束和所述第二激光束的中心光强间的距离。

优选地，所述光电检测装置的检测表面与所述可振动物体的表面平行放置，所述位移确定装置根据如下公式确定所述可振动物体的振动的位移：

$d=\frac{L(b-a)}{2a},$

其中，d表示所述可振动物体的振动的位移，L表示所述可振动物体的表面与所述光电检测装置的检测平面的垂直距离，a表示在第一时刻两束激光照射在所述光电检测装置的位置之间的距离，b表示在发生振动后的任意的第二时刻，两束激光照射在所述光电检测装置的位置之间的距离，其中，所述第一时刻两束激光相交于所述可振动物体表面上的一点。这里需要说明的是，第一时刻并非不发生振动的时刻，只是在第一时刻两束激光刚好相交于玻璃表面上的一点，因此，本发明中取该时刻为参考时刻，取该时刻两束光的距离为参考距离a。

本发明根据光线的反射原理和几何原理，设置两个不同波长的红外激光源，通过检测反射回来的两束不同波长光之间距离的变化，推导出玻璃的振动情况，本发明的优点就是将光电二极管对激光位置的检测转化为对两束激光之间距离的检测，将对点的检测转化为对线段的检测，这样操作能有效减小误差，线段越长，误差越小。

附图说明

图1为现有技术中采用的声音检测设备的示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的声音检测设备的示意图；

图3为图2所示实施例的声音检测设备的光路图。

具体实施方式

如图2所示，在本实施例中的声音检测设备包括红外激光器1、红外激光器2、光电二极管3、处理装置5。

红外激光器1和红外激光器2分别以不同的入射方向朝向待检测的声音源附近的可振动物体的表面发射一束红外激光。在本实施例中，所述可振动物体为声音源附近的玻璃。红外激光器1和红外激光器2所发射激光的波长彼此不同，并且，优选地，红外激光器1的激光波长与红外激光器2的激光波长相差30nm以上。

在本实施例中，采用光电二极管对反射光进行接收。本实施例中所采用的光电二极管具有一定长度，从而使得，当玻璃发生振动时，两束反射光始终能够被该光电二极管所接收到。优选地，可以采用线性排列的光电二极管阵列，该线性排列的二极管阵列的排列方向（我们称之为轴线方向）在两束激光所构成的平面内。换言之，光电二极管阵列的排列方向要保证，即便随着玻璃的振动，两束激光的反射光的入射位置发生变化，所述光电二极管阵列，总能够接收到两束反射光。优选地，光电二极管的排列方向与要照射的玻璃的表面平行。

不过，本领域技术人员应该了解，还可以采用其他光电检测装置，例如CMOS、CCD等。不过，优选采用光电二极管阵列，这样可以节约成本。

处理装置5主要用于根据光电二极管或光电二极管阵列所接收到的信号确定两束反射光照射在光电二极管上的位置之间的距离的变化来确定可振动物体，即，玻璃振动的位移，并且根据该位移还原声音源所发出的声音。优选地，处理装置5包括位移确定装置和声音还原装置。处理装置5还可以实现为转换电路和放大电路。转换电路用于确定所述位移并将位移转换为声音，放大电路用于对所转换的声音进行放大。

下面详细描述本发明的声音检测设备的工作过程和原理。

红外激光器1和红外激光器2所发射的激光对准待检测的声音源附近的玻璃外表面上的同一点，即，二者在玻璃外表面相交。并且红外激光器1和红外激光器2的激光出射口与被照射的玻璃距离相等。优选地，两个激光器的入射角度在45度到60度之间。更优选地，两个激光器中的一个的入射角度为55.62度。

由于声音源所发出的声音的影响，玻璃将随着声音的变化而发生振动。如图2所示，在第一时刻，玻璃处在水平线P位置处，即，在图中所示的下侧水平线处。两束激光在玻璃上发生反射，经反射的两束激光被光电二极管所接收。光电二极管能够测量出照射在其上的两束光的入射位置，并且输出反映出两束光的入射位置的信号。

位移确定装置基于所述信号确定经反射的两束激光照射在光电二极管3上的位置，并确定二者之间的距离。

由于所述声音源发出的声音是具有一定频率的声波，该声波将导致玻璃发生振动。随着玻璃的振动，经反射的第一激光束和第二激光束照射在光电检测装置（即，光电二极管或光电二极管阵列）上的位置和二者的位置之间的距离将随之相应变化，位移确定装置跟踪经反射的第一激光束和第二激光束照射在光电检测装置上的位置的变化，并且跟踪二者的位置之间的距离的变化。

位移确定装置基于经反射的两束激光束照射在所述光电检测装置上的位置的变化和/或所述距离的变化确定可振动物体的振动，尤其是振动的位移。声音还原装置根据所述可振动物体的振动还原出所述声音源发出的声音。

如图3所示，光电二极管阵列平行于被照射玻璃的表面放置，并且，光电二极管阵列与被照射玻璃表面的垂直距离为L。第一激光束10和第二激光束11分别被玻璃所反射。相应地被光电二极管阵列所接收。在第一时刻，二者照射在光电二极管阵列上的位置之间的距离为a。随着玻璃发生振动，玻璃表面振动到图3中上部的平行线P’所示的位置处，在此时，两个激光器继续发射激光，两束激光在光电二极管阵列上的照射位置之间的距离为b。

本发明的发明人发现，根据上述的L、a和b就可以精确地确定玻璃振动的位移d。

更具体而言，如图3所示，光电二极管阵列与被照射玻璃表面平行。为了保证光电二极管阵列能够接收到来自两个激光器的反射光，光电二极管阵列的排列方向的延长线将分别与两个激光器发出的激光相交。

在第一时刻，玻璃的表面处于图3中所示的水平直线P处。两个激光器发出的两束激光均照射在玻璃表面的点A’处。两束激光在该点处被反射，然后分别照射在光电二极管上的B’和C’点处。线段B’C’的长度即为上面提到的两束激光照射在光电二极管上的位置之间的距离a。

随着玻璃的振动，在第二时刻，玻璃的表面振动到图3中平行线P’的位置处。此时，两个激光器继续发出激光，发出的两束激光与玻璃表面的夹角不变。这样，两束激光将分别照射在图3中的玻璃表面上的A1和A2两个位置处。两束激光在A1和A2点处分别被反射，然后分别照射在光电二极管上的E和F点处。线段EF的长度即为在第二时刻两束激光照射在光电二极管上的位置之间的距离b。

继续参照图3，为了便于确定玻璃振动引起的位移，找到点A’关于直线P’的对称点A，则，AA’等于2d。从图中可以明显看出，角EAF等于角C’A’B’。在三角形AEF中截取与A’C’B’全等的三角形ACB，BC的延长线与AD’相交于点D。显然，BC等于a，AD等于L。

根据三角形相似原理，

即

则玻璃的振动位移可表示为

因此，只要光电二极管检测到两束光间距的变化，根据该公式就能得到待检测玻璃的位移情况。在本实施例中，该振动位移的确定由位移确定装置实现，该位移确定装置由数字集成电路或模拟电路实现，能够从光电二极管所检测的信号中确定两束光的间距的变化，并且根据两束光的间距变化以及上述公式确定玻璃的振动情况，尤其是玻璃的随时间变化的振动位移。

然后，将由位移确定装置确定的玻璃的振动信息，经过声音还原装置处理后，即可以得到声音源所发出的声音。该声音还原装置例如为用于将振动信息转换为声音信号的转换电路和相应的放大电路。

优选地，本发明的声音检测设备还包括最小距离确定装置，该最小距离确定装置能够确定何时照射在光电检测装置上的两束激光之间的距离最小，并且将该时刻确定为第一时刻，在第一时刻两束激光相交。本领域技术人员应该理解，由于两束激光具有一定的直径，所以，本文中所提到的相交指的是两束激光的中心光强相交，或者也可以说是两束激光的中心线相交。

此外，需要说明的是，虽然上述实施例中，玻璃向远离激光器方向振动，但是，本领域技术人员应该理解，玻璃朝向激光器方向振动的情况与此类似，再此不再累述。实际上，将上述第一时刻与第二时刻互换就反映出了玻璃朝向激光器振动的情况，在此情况下，上述确定d的公式依然适用，只是所得结果的符号相反。

本领域技术人员应该理解，上述的位移确定装置和声音还原装置可以采用现有技术中存在的常规设备，并领域技术人员根据现有技术和本发明的上述内容应该可以知道位移确定装置和声音还原装置如何实现。

此外，需要说明的是，本发明所提到的声音源附近的可振动物体中的“附近”指的是声音源发出的声音能够传播到，并且声波的振动能够引起可振动物体发生振动的距离。优选地，“附近”指距离声音源3m、4m或5m以内。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。

Claims (6)

1.一种对由声音源发出的声音进行检测的声音检测设备，包括：第一激光器、第二激光器、光电检测装置、位移确定装置、声音还原装置，其特征在于，

所述第一激光器用于以第一发射角度朝向所述声音源附近的可振动物体表面发射第一激光束，其中，所述可振动物体能够响应于所述声音源发出的声音而振动；

所述第二激光器用于在所述第一时刻以不同于所述第一发射角度的第二发射角度朝向所述声音源附近的可振动物体表面发射第二激光束，其中，在第一时刻，所述第一激光束与所述第二激光束在所述可振动物体表面处相交并且分别被所述可振动物体表面反射；

所述光电检测装置用于接收经反射的所述第一激光束和所述第二激光束并输出反映经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置的信号；

所述位移确定装置用于基于所述信号确定经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置，并确定所述第一激光束照射在所述光电检测装置上的位置与所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置二者之间的距离，其中，随着所述声音源发出的声音改变，经反射的所述第一激光束照射在所述光电检测装置上的位置与所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置以及二者之间的距离将随之相应变化，所述位移确定装置根据经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置的变化和/或所述距离的变化，确定所述可振动物体的振动；

所述声音还原装置用于基于经反射的所述第一激光束和所述第二激光束照射在所述光电检测装置上的位置的变化和/或所述距离的变化以及所述可振动物体的振动还原所述声音源发出的声音。

2.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述第一激光束和所述第二激光束均为红外激光并且二者的波长彼此不同。

3.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述可振动物体为所述声音源附近的玻璃。

4.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述光电检测装置为具有一定长度的光电二极管或者排列成一排的光电二极管阵列，所述具有一定长度的光电二极管或者光电二极管阵列的长度方向处于所述第一激光束和所述第二激光束所构成的平面内。

5.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述光电检测装置确定所述第一激光束和所述第二激光束的中心光强的位置，并且确定所述第一激光束和所述第二激光束的中心光强间的距离。

6.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述光电检测装置的检测表面与所述可振动物体的表面平行放置，所述位移确定装置根据如下公式确定所述可振动物体的振动的位移：

$d=\frac{L(b-a)}{2a},$

其中，d表示所述可振动物体的振动的位移，L表示所述可振动物体的表面与所述光电检测装置的检测平面的垂直距离，a表示在第一时刻两束激光照射在所述光电检测装置的位置之间的距离，b表示在经过振动后的第二时刻，两束激光照射在所述光电检测装置的位置之间的距离，其中，在所述第一时刻两束激光相交于所述可振动物体表面上的一点。

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