CN104049235A - 声源定向装置中的传声器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明声源定向装置中的传声器阵列，涉及应用声波通过多次确定目标的方向而配合定位的装置，包括四个传声器、支撑架、转动杆、转轴和夹角测量机构，该声源定向装置中的传声器阵列的转动杆可沿转轴转动，使用时，将传声器阵列沿轴打开，形成不同夹角，四个传声器在立体空间内呈现几何结构变化的阵列，从而完成对目标进行多次定向，提升定向准确度，不使用时，将传声器阵列转动杆转到阵列夹角呈零度的状态，克服了现有声源定向装置中的传声器阵列结构固定、造成占空间较大、不方便运输与携带以及进行目标定位时采用单一阵列接受声源信号易受阵列尺寸和几何结构的限制而大大降低了声源定位装置的适应性和实用性的缺陷。

Description

声源定向装置中的传声器阵列

技术领域

本发明的技术方案涉及应用声波通过多次确定目标的方向而配合定位的装置，具体地说声源定向装置中的传声器阵列。

背景技术

在机器人导航、语音增强以及目标定位等众多研究领域，听觉感知技术一直是研究重点与热点的课题。设计精巧、高精度和方便携带的声源定向装置在医疗、搜救、军事和国防等诸多领域具有重要的应用价值。

现有的声源定向装置所采用的传声器阵列结构固定，体积庞大，移动阵列费时费力且极有可能损坏其部件，给声源定向装置的携带使用带来极大困难。CN101957442B公开了一种声源定位装置，其中的传声器阵列采用四元正四面体结构的麦克风阵列，四个麦克风分别位于该正四面体结构的四个顶点，该传声器阵列结构固定，麦克风空间分布固定，这样其所占空间较大，不方便运输与携带，该声源定位装置在进行目标定位时，采用单一阵列接受声源信号，易受阵列尺寸和几何结构的限制，大大降低了声源定位装置的适应性和实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供声源定向装置中的传声器阵列，由四个传声器、支撑架、转动杆、转轴和夹角测量机构组成，该声源定向装置中的传声器阵列的转动杆可沿转轴转动，使用时，将传声器阵列沿轴打开，形成不同夹角，四个传声器在立体空间内呈现几何结构变化的阵列，从而完成对目标进行多次定向，提升定向准确度，不使用时，将传声器阵列转动杆转到阵列夹角呈零度的状态，克服了现有声源定向装置中的传声器阵列结构固定、造成占空间较大、不方便运输与携带以及进行目标定位时采用单一阵列接受声源信号易受阵列尺寸和几何结构的限制而大大降低了声源定位装置的适应性和实用性的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：声源定向装置中的传声器阵列，包括四个传声器、支撑架、转动杆、转轴和夹角测量机构，其中，四个传声器分别是麦克风Ⅰ、麦克风Ⅱ、麦克风Ⅲ和麦克风Ⅳ，支撑架为等边三角形，在其三个顶角端点上分别设置有阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c，该等边三角形中的一条边凹进去形成一个矩形凹槽，这条边与矩形凹槽的一个接口处焊接着一个圆形钢片，该钢片的圆心位于边的最小侧面上，该圆形钢片上对称分布着两个安装孔e，这条边与矩形凹槽的另一个接口处设有安装孔f，转动杆的形状是小写字母h的形状的长杆，在h形长杆的长柄的端点上设置有阵元安装孔d，在长柄带“┘”形的一端设有安装孔h，在“┘”的另一端设有安装孔g，转轴的一端设置带有安装孔g的安装片，转轴的另一端设置带有安装孔f的安装片，这两个安装片的方向是相反的，夹角测量机构包括旋转电位器、集线插头、电源、微控制器、串口和PC上位机，旋转电位器的上端面上对称分布着两个安装孔e，旋转电位器的下端柄上设有安装孔h，PC上位机是一般的PC机；上述部件的连接方式是：麦克风Ⅰ嵌套进阵元安装孔a，麦克风Ⅱ嵌套进阵元安装孔b，麦克风Ⅲ嵌套进阵元安装孔c，麦克风Ⅳ嵌套进阵元安装孔d；支撑架上的两个安装孔e与旋转电位器的两个安装孔e用螺钉连接，支撑架上的安装孔f与转轴的安装孔f用螺钉连接；转动杆上的安装孔h与旋转电位器的安装孔h用螺钉连接，转动杆上的安装孔g与转轴的安装孔g用螺钉连接；旋转电位器与转轴同轴心设置，转动杆绕转轴转动，并带动旋转电位器旋转，旋转电位器旋转的角度也就是传声器阵列自身的夹角；集线插头上面分布着可连接旋转电位器导线的接口，旋转电位器通过软导线与集线插头相连，再通过导线与微控制器相连，电源用导线与微控制器和旋转电位器分别相连，微控制器通过串口用导线与PC上位机相连，集线插头、电源、微控制器和串口集成在一块电路板上，该电路板固定放置在一个盒子内，微控制器用导线与PC上位机相连，在需要传声器阵列时才将其连接，由此构成完整的声源定向装置中的传声器阵列。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述麦克风是北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，其直径是1.27cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述支撑架是刚性材料，其三角形的每个边的边长为42cm、宽度为2cm和厚度为0.5cm，一条边上的矩形槽的深度是5cm和长度是10cm，支撑架上的阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c的直径都是1.272cm，阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c的中心的两两互相连线的直线长度均是40cm，支撑架上钢片的直径是1.8cm，支撑架上安装孔e的直径是0.4cm，两个安装孔e中心的距离是1cm，支撑架上安装孔f的直径是1cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述转动杆的形状是小写字母h的形状，其h形长杆的长柄的长度是36cm，转动杆上的阵元安装孔d的直径是1.272cm，转动杆上的安装孔h的直径是0.4cm，转动杆上的安装孔g的直径是1cm，转动杆上的阵元安装孔d与安装孔h的中心连线的长度是34cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述转轴的长度是5cm，转轴上的安装孔g和安装孔f的直径都是1cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述旋转电位器是BOURNS伯恩斯3590S-2-503LF精密电位器，其输出与输入电压比与旋转角度的关系是线性关系，该旋转电位器的两个安装孔e的直径是0.4cm，两个安装孔e中心的距离是1cm，旋转电位器的安装孔h的直径是0.4cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述电路板固定放置的盒子，其长度为8cm和宽度为5cm。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述微控制器包括单片机C8051f350及其载入的中断服务程序流程，该中断服务程序流程是：初始化单片机MCU串口及A/D转换→开启A/D转换中断模式→等待AD转换结束→AD转换是否完成；若AD转换完成→计算旋转角度→发送数据到上位机PC→清除中断屏蔽→返回等待AD转换结束；若AD转换未完成→返回等待AD转换结束。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所述集线插头是希嘉SAGA六轴多旋翼3.5mm标准集线插头T插/XT60，电源是输出电压为5V的锂电池，串口是九针D形连接器，即RS-232接口。

上述声源定向装置中的传声器阵列，所涉及的元器件均通过公知途径获得，元器件之间的连接方法和安装方法均是本技术领域的技术人员所能掌握的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点如下：

(1)本发明声源定向装置中的传声器阵列的夹角由阵列夹角测量机构获得，阵列夹角与目标方位角的关系如下：

本发明的传声器阵列上的麦克风Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ所在同一平面，设为面XOY，麦克风Ⅰ和Ⅱ连线的长度是2a cm，麦克风Ⅰ和Ⅲ连线的长度是2a cm，麦克风Ⅱ和Ⅲ连线的长度是2a cm；阵列上麦克风Ⅰ和Ⅱ连线的中心为坐标原点O；麦克风Ⅰ和Ⅱ连线所在直线为X轴，X轴方向指向麦克风Ⅰ；坐标原点O和麦克风Ⅲ连线所在的直线是Y轴，Y轴方向指向麦克风Ⅲ；过坐标原点0且垂直于平面XOY的直线是Z轴，Z轴指向XOY面的正上方；坐标原点O与麦克风Ⅳ的连线垂直于X轴，坐标原点O与麦克风Ⅳ连线的长度是坐标原点O与麦克风Ⅲ连线的长度是坐标原点O与麦克风Ⅳ的连线和面XOY的夹角是θ，θ也是阵列的夹角。上述所述a＝20cm，0°＜θ＜180°。由此可得四个传声器的坐标分别为：

S1＝(a,0,0)、S2＝(-a,0,0)、 $S3=(0,\sqrt{3}a,0)$ 和 $S4=(0,\sqrt{3a}\cos \mathrm{\θ},\sqrt{3}a\sin \mathrm{\θ})$

设定目标声源点是M，坐标原点0与目标声源点M所成向量为在面X0Y的投影与X轴的夹角是α，即目标声源点的偏航角；与Z轴正方向的夹角是β，即目标声源点的俯仰角。上述α的范围是0°≤α≤360°，β的范围是0°≤β≤90°。

设声速c，声源到传声器S1的距离是r₁米，声源到传声器Si的距离是r_i米，则声源信号到达其它传声器与S1距离之差为d_i1，时间差为t_i1

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{i1}=r_i-r_1\\ d_{i1}=c\·t_{i1}\end{array}\right.,$ 其中i＝2,3，4，   (式1—1)

实际应用中可采用远场模型近似推导，得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\α}\≈\arctan \frac{\sqrt{3}(t_{21}-{2t}_{31})}{{3t}_{21}}$         (式1—2)

$\mathrm{\β}\≈\mathrm{arccot}\frac{t_{21}-{2t}_{41}+\cos \mathrm{\θ}({2t}_{31}-t_{21})}{2\sin \mathrm{\θ}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}$       (式1—3)

(2)阵列夹角的测定方法

旋转电位器与转轴同轴心设置，转动杆绕转轴转动，并带动旋转电位器旋转，旋转电位器旋转的角度也就是阵列自身的夹角。设定旋转电位器的输入端电压U_in和输出端电压U_out，当阵列夹角θ是0度时，此时旋转电位器输出端电压值是U_o，由此可得，旋转电位器旋转的角度，其弧度值是：根据公式求得旋转电位器旋转的角度，即阵列夹角，将阵列夹角的数据发送到PC上位机。

与现有技术相比，本发明的显著进步如下：

(1)本发明声源定向装置中的传声器阵列的转动杆沿转轴转动，传声器阵列中的四个传声器在立体空间内可呈现不同的几何结构，对目标进行多次定向，提升了定向精确度。

(2)本发明声源定向装置中的传声器阵列，将其沿轴打开，形成不同夹角，呈现结构变化的阵列；不使用阵列时，将其折叠，其夹角呈零度，克服了以往传声器阵列结构固定的缺陷，且方便用户携带。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的传声器阵列各阵元分布规则的结构模型图。

图2是本发明的传声器阵列中的支撑架、转轴、转动杆和旋转电位器的连接示意图。

图3是本发明的传声器阵列在转动杆转动不同角度时的阵列示意图。

图4是本发明的传声器阵列的夹角测量机构的构成示意图。

图5是本发明的传声器阵列的夹角测量机构的微控制器中载入的中断服务程序流程的流程图。

图6是本发明的支撑架的结构示意图。

图7是本发明的旋转电位器的外观示意图。

图8是本发明的转动杆的结构示意图。

图9是本发明的转轴的结构示意图。

图10是麦克风Ⅰ和阵元安装孔位a之间嵌套的关系示意图。

图11是本发明在用于阵列的定位方法中的传声器阵列采集的声音波形发送到PC上位机的硬件连接图。

图12是实施例1中本发明的传声器阵列的简化结构示意图及其阵元和阵列夹角在坐标系的位置分布示意图。

图中，1.支撑架，2.转动杆，3.旋转电位器，4.转轴，5.集线插头，6.微控制器，7.串口，8.电源，9.夹角测量机构，10.传声器阵列，11.供电设备，12.数据采集卡，13.PC上位机，S1.麦克风Ⅰ，S2.麦克风Ⅱ，S3.麦克风Ⅲ，S4.麦克风Ⅳ，KsⅠ.阵元安装孔a，KsⅡ.阵元安装孔b，KsⅢ.阵元安装孔c，KsⅣ.阵元安装孔d，Kx.安装孔e，Kz.安装孔f，Kd.安装孔g，Kj.安装孔h。

具体实施方式

图1所示实施例的传声器阵列各阵元分布规则的结构模型表明，本发明的传声器阵列上的麦克风ⅠS1、麦克风ⅡS2和麦克风ⅢS3所在同一平面，将该平面设为面XOY，麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的长度是2a cm，麦克风ⅠS1和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm，麦克风Ⅱ和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm；该传声器阵列上麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的中心为坐标原点O；麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线所在直线为X轴，X轴方向指向麦克风Ⅰ；坐标原点O和麦克风ⅢS3连线所在的直线是Y轴，Y轴方向指向麦克风ⅢS3；过坐标原点0且垂直于平面XOY的直线是Z轴，Z轴指向XOY面的正上方；坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线垂直于X轴，坐标原点O与麦克风ⅣS4连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅢS3连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线和面XOY的夹角是θ，θ也是阵列的夹角。上述a＝20cm，0°＜θ＜180°。

图2所示实施例表明，声源定向装置中的传声器阵列中麦克风ⅠS1、麦克风ⅡS2、麦克风ⅢS3和麦克风ⅣS4、支撑架1、转动杆2、旋转电位器3和转轴4的连接方式，其中，支撑架1为等边三角形，在其三个顶角端点上分别设置有阵元安装孔aKsⅠ、阵元安装孔bKsⅡ和阵元安装孔cKsⅢ，该等边三角形中的一条边凹进去形成一个矩形凹槽，这条边与矩形凹槽的一个接口处对称分布着两个安装孔eKx，这条边与矩形凹槽的另一个接口处设有安装孔fKz，转动杆2的形状是小写字母h的形状的长杆，在h形长杆的长柄的端点上设置有阵元安装孔dKsⅣ，在长柄带“┘”形的一端设有安装孔hKj，在“┘”的顶端设有安装孔gKd，转轴4的一端设置有安装孔gKd，转轴的另一端设置有安装孔fKz，旋转电位器3的下端柄上设有安装孔hKj；麦克风ⅠS1嵌套进阵元安装孔aKsⅠ，麦克风ⅡS2嵌套进阵元安装孔bKsⅡ，麦克风ⅢS3嵌套进阵元安装孔cKsⅢ，麦克风ⅣS4嵌套进阵元安装孔dKsⅣ，支撑架1上的两个安装孔eKx与旋转电位器3的两个安装孔eKx(本图中无法显示旋转电位器的两个安装孔eKx，见图7)用螺钉连接，支撑架1上的安装孔fKz与转轴4的安装孔fKz用螺钉连接，转动杆2上的安装孔hKj与旋转电位器3的安装孔hKj用螺钉连接，转动杆2上的安装孔gKd与转轴4的安装孔gKd用螺钉连接，转轴4与旋转电位器3同轴心设置，转动杆2绕转轴4转动，并带动旋转电位器3旋转，旋转电位器3旋转的角度也就是传声器阵列自身的夹角。

图3所示实施例表明，本发明的传声器阵列在转动杆2转动不同角度时的阵列夹角，本发明的传声器阵列上的麦克风ⅠS1、麦克风ⅡS2和麦克风ⅢS3所在同一平面，将该平面设为面XOY，麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的长度是2a cm，麦克风ⅠS1和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm，麦克风ⅡS2和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm；该传声器阵列上麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的中心为坐标原点O；麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线所在直线为X轴，X轴方向指向麦克风Ⅰ；坐标原点O和麦克风ⅢS3连线所在的直线是Y轴，Y轴方向指向麦克风ⅢS3；过坐标原点0且垂直于平面XOY的直线是Z轴，Z轴指向XOY面的正上方；坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线垂直于X轴，坐标原点O与麦克风ⅣS4连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅢS3连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线和面XOY的夹角是θ，θ也是阵列的夹角。上述所述a＝20cm，0°＜θ＜180°。本发明的传声器阵列的旋转电位器3与转轴4同轴心设置，转动杆2带动转轴4转过的角度即旋转电位器3旋转的角度，就是坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线和面XOY的夹角θ，即阵列自身的夹角θ。设定旋转电位器3的输入端电压U_in和输出端电压U_out，当阵列夹角θ是0度时，此时旋转电位器3输出端电压值是U_o；当转动杆2带动旋转电位器3转动时，输出端电压U_out会出现不同的值，旋转电位器3旋转的角度，其弧度值是：也就是阵列的夹角θ。当转动杆2转到空间不同位置时，转动杆2转到与平面XOY夹角分别是0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度时，转动杆2带动旋转电位器3和转轴4旋转，输出端电压U_out会出现不同的值，求取的阵列夹角对应着分别是0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度。

图4所示实施例表明，本发明的传声器阵列的夹角测量机构9包括旋转电位器3、集线插头5、电源8、微控制器6、串口7和PC上位机13；集线插头5上面分布着可连接旋转电位器3导线的接口，旋转电位器3通过软导线与集线插头5相连，再通过导线与微控制器6相连，电源8用导线与微控制器6、旋转电位器3分别相连，微控制器6通过串口7用导线与PC上位机13相连；集线插头5、电源8、微控制器6和串口7集成在一块电路板上，电路板固定放置在一个盒子，其长度8cm和宽度5cm；微控制器6用导线与PC上位机13相连，PC上位机是一般的PC机，在需要传声器阵列时，才将其连接。微控制器6选用单片机C8051f350，负责A/D转换、计算阵列的夹角和发送数据到PC上位机13。微控制器6采集到旋转电位器3端口的电压并实现电压的模拟量转变成数字量，根据公式求得旋转电位器3旋转的角度，即阵列夹角；将阵列夹角的数据发送到PC上位机13。

图5所示实施例表明，本发明的传声器阵列的夹角测量机构的微控制器6中载入的中断服务程序流程是：初始化单片机MCU串口及A/D转换→开启A/D转换中断模式→等待AD转换结束→AD转换是否完成；若AD转换完成→计算旋转角度→发送数据到上位机PC→清除中断屏蔽→返回等待AD转换结束；若AD转换未完成→返回等待AD转换结束。

图6所示实施例表明，本发明的支撑架1为等边三角形，在其三个顶角端点上分别设置有阵元安装孔aKsⅠ、阵元安装孔bKsⅡ和阵元安装孔cKsⅢ，该等边三角形中的一条边凹进去形成一个矩形凹槽，这条边与矩形凹槽的一个接口处焊接着一个圆形钢片，该钢片的圆心位于边的最小侧面的中心，该圆形钢片上对称分布着两个安装孔eKx，这条边与矩形凹槽的另一个接口处设有安装孔fKz。

图7所示实施例表明，本发明的旋转电位器3的上端面上对称分布着两个安装孔eKx，旋转电位器的下端柄上设有安装孔hKj。

图8所示实施例表明，本发明的转动杆2的形状是小写字母h的形状的长杆，在h形长杆的长柄的端点上设置有阵元安装孔dKsⅣ，在长柄带“┘”形的一端设有安装孔hKj，在“┘”的顶端设有安装孔gKd。

图9所示实施例表明，本发明的转轴4的一端设置带有安装孔gKd的安装片，转轴的另一端设置带有安装孔fKz的安装片，这两个安装片的方向是相反的。

图10所示实施例表明，本发明的麦克风ⅠS1将被嵌套入支撑架1上的阵元安装孔aKsⅠ的位置。同样，麦克风ⅡS2将被嵌套入支撑架1上的阵元安装孔bKsⅡ的位置，麦克风ⅢS3将被嵌套入支撑架1上的阵元安装孔cKsⅢ的位置。

图11所示实施例表明，本发明在用于阵列的定位方法中的传声器阵列采集的声音波形发送到PC上位机的硬件连接方式是：在阵列的定位方法中，所用到的硬件装置主要包括传声器阵列10、供电设备11、数据采集卡12和PC上位机13。传声器阵列10通过4条BNC接头的数据线和供电设备11相连，供电设备11通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡12相连，数据采集卡12通过一条USB数据线和PC上位机13连接。这里的传声器阵列10就是本发明声源定向装置中的传声器阵列。

实施例1

按照上述图2、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示实施例来组装成本实施例的声源定向装置中的传声器阵列，包括四个传声器麦克风ⅠS1、麦克风ⅡS2、麦克风ⅢS3和麦克风ⅣS4、支撑架1、转动杆2、转轴4和夹角测量机构9，夹角测量机构9包括旋转电位器3、集线插头5、电源8、微控制器6、串口7和PC上位机13。

本实施例的声源定向装置中的传声器阵列中，所述麦克风是北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，其直径是1.27cm；支撑架1是刚性材料，其三角形的每个边的边长为42cm、宽度为2cm和厚度为0.5cm，一条边上的矩形槽的深度是5cm和长度是10cm，支撑架1上的阵元安装孔aKsⅠ、阵元安装孔bKsⅡ和阵元安装孔cKsⅢ的直径都是1.272cm，阵元安装孔aKsⅠ、阵元安装孔bKsⅡ和阵元安装孔cKsⅢ的中心的两两互相连线的直线长度均是40cm，支撑架1上钢片的直径是1.8cm，支撑架1上安装孔eKx的直径是0.4cm，两个安装孔eKx中心的距离是1cm，支撑架1上安装孔fKz的直径是1cm；转动杆2的形状是小写字母h的形状，其h形长杆的长柄的长度是36cm，转动杆2上的阵元安装孔dKsⅣ的直径是1.272cm，转动杆2上的安装孔hKj的直径是0.4cm，转动杆2上的安装孔gKd的直径是1cm，转动杆2上的阵元安装孔dKsⅣ与安装孔hKj的中心连线的长度是34cm；转轴4的长度是5cm，转轴4上的安装孔gKd和安装孔fKz的直径都是1cm；旋转电位器3是BOURNS伯恩斯3590S-2-503LF精密电位器，其输出与输入电压比与旋转角度的关系是线性关系，旋转电位器3的两个安装孔eKx的直径是0.4cm，两个安装孔eKx中心的距离是1cm，旋转电位器3的安装孔hKj的直径是0.4cm；所述集线插头5是希嘉SAGA六轴多旋翼3.5mm标准集线插头T插/XT60；微控制器包括单片机C8051f350及其载入的中断服务程序流程；电源8是输出电压为5V的锂电池；串口7是九针D形连接器，即RS-232接口；PC上位机是一般的PC机。

实施例2

在阵列的定位方法中，用实施例1的声源定向装置中的传声器阵列采集的声音波形发送到PC上位机13的硬件连接方式如图11实施例所示。本实施例中，供电设备10为MC104供电设备、数据采集卡12为NI9215A数据采集卡，PC上位机13使用软件MATLAB，编写好的MATLAB程序，主要完成的功能如下：

A.实现串口调试，获取并显示阵列夹角；

B.将本发明阵列四个传声器采集到的目标声源信息滤波去噪，根据广义互相关算法，计算出目标声源到达四个传声器相互间的时间差t_i1(i＝2,3,4)，即目标声源信号到达传声器S_i与传声器S₁的时间差。

本实施例提供的传声器阵列的阵元、阵列夹角和目标声源点在坐标系中的位置分布如图12所示：设传声器阵列上麦克风ⅠS1、麦克风ⅡS2和麦克风ⅢS3处在同一平面，将该平面设为面XOY，麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的长度是2a cm，麦克风ⅠS1和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm，麦克风ⅡS2和麦克风ⅢS3连线的长度是2a cm；该传声器阵列上麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线的中心为坐标原点O；麦克风ⅠS1和麦克风ⅡS2连线所在直线为X轴，X轴方向指向麦克风Ⅰ；坐标原点O和麦克风ⅢS3连线所在的直线是Y轴，Y轴方向指向麦克风ⅢS3；过坐标原点0且垂直于平面XOY的直线是Z轴，Z轴指向XOY面的正上方；坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线垂直于X轴，坐标原点O与麦克风ⅣS4连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅢS3连线的长度是坐标原点O与麦克风ⅣS4的连线和面XOY的夹角是θ，θ也是阵列的夹角。上述所述a＝20cm，0°＜θ＜180°。由此可得，四个传声器的坐标分别为：

S1＝(a,0,0)、S2＝(-a,0,0)、 $S3=(0,\sqrt{3}a,0)$ 和 $S4=(0,\sqrt{3a}\cos \mathrm{\θ},\sqrt{3}a\sin \mathrm{\θ})$

设定目标声源点是M，坐标原点0与目标声源点M所成向量在面X0Y的投影与X轴的夹角是α，即目标声源点的偏航角；与Z轴正方向的夹角是β，即目标声源点的俯仰角。上述α的范围是0°≤α≤360°，β的范围是0°≤β≤90°。

用实施例1的声源定向装置中的传声器阵列在阵列的定位方法中进行声源定向的具体应用方法如下：

第一步，测定阵列夹角：

所述阵列的夹角测量机构9由旋转电位器3、微控制器6、集线插头5、串口7、电源8和PC上位机13组成。阵列的旋转电位器3与转轴4同轴心设置，转动杆2绕转轴4转动，并带动旋转电位器4旋转，旋转电位器3旋转的角度也就是阵列自身的夹角。设定旋转电位器3的输入端电压U_in和输出端电压U_out，当阵列夹角θ是0度时，此时旋转电位器3输出端电压值是U_o，由此可得，旋转电位器3旋转的角度，其弧度值是：微控制器6主要选用单片机C8051f350，其主要负责A/D转换、计算阵列的夹角和发送数据到PC上位机13。微控制器6采集到旋转电位器3端口的电压并实现电压的模拟量转变成数字量；根据公式求得旋转电位器3旋转的角度，即阵列夹角；将阵列夹角的数据发送到PC上位机13。传声器阵列转动杆从阵列夹角是0开始，此时旋转电位器3的输出电压U_o的数字量是1.6443V，转过一定角度θ后，旋转电位器3的输出电压U_out的数字量是3.3110V，旋转电位器3的输入电压U_in是5V，代入计算公式得阵列夹角θ如下：

θ＝2*3.1416/5*(3.3110-1.6443)＝2.0944。

第二步，测定声音信号到达传声器阵列的四个麦克风之间的时间差：

由上位机中编写好的MATLAB程序，对传声器阵列中各个麦克风相对的时延估计。在一个根据测定环境条件选定的位置，用传声器阵列采集一段时间为10ms的目标声源信息，声音信号通过数据采集卡传到PC上位机13，PC上位机13首先计算出声音信号到达传声器阵列四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差(即目标声源信号到达麦克风ⅡS2、麦克风ⅢS3或麦克风ⅣS4与麦克风ⅠS1的时间差)t_i1(i＝2,3,4)，根据广义互相关算法，得到目标声源信号到达麦克风ⅡS2与麦克风ⅠS1时延值t₂₁，用同样的方法可以计算出时延值t₃₁和t₄₁。NI9215A数据采集卡频率为100k，时延估计的结果是：麦克风ⅡS2相对于麦克风ⅠS1的时间差t₂₁为67×10^-5s(秒)，t₃₁是-24×10^-5s,t₄₁是12×10^-5s。

第三步，测定声源目标相对于传声器阵列的方位角，即偏航角和俯仰角：

第一步得到的阵列夹角θ＝2.0944，第二步得到的目标声源M信号到达麦克风Si与麦克风Ⅰ的时间差，t_i1(i＝2,3,4)，根据广义互相关算法，时延估计的结果是：声源到麦克风Ⅱ与麦克风Ⅰ的时间差t₂₁为67×10^-5s(秒)，声源到麦克风Ⅲ与麦克风Ⅰ的时间差t₃₁是-24×10^-5s,声源到麦克风Ⅳ与麦克风Ⅰ的时间差t₄₁是12×10^-5s。已知θ、t₂₁、t₃₁、t₄₁，根据远场模型近似推导的声源方位角公式：

偏航角 $\mathrm{\α}\≈\arctan \frac{\sqrt{3}(t_{21}-{2t}_{31})}{{3t}_{21}}$

俯仰角 $\mathrm{\β}\≈\mathrm{arccot}\frac{t_{21}-{2t}_{41}+\cos \mathrm{\θ}({2t}_{31}-t_{21})}{2\sin \mathrm{\θ}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}$

声源方位角的计算值，偏航角α＝0.7809，俯仰角β＝0.9532

实施例3

除根据测定环境条件选定目标声源位置，设置其相对于阵列的偏航角的弧度值是1.1071，俯仰角的弧度值是1.1503；声源定向装置中的传声器阵列采集一段时间为10ms的目标声源信息，声音信号通过数据采集卡传到上位机13。声源定向装置中的传声器阵列中的转动杆2转过一个角度，此时阵列夹角θ2＝1.3090；上位机13获得麦克风的时间差是：声源到麦克风ⅡS2与麦克风ⅠS1的时间差t₂₁为48×10^-5s(秒)，声源到麦克风ⅢS3与麦克风ⅠS1的时间差t₃₁是-59×10^-5s,声源到麦克风ⅣS4与麦克风ⅠS1的时间差t₄₁是-37×10^-5s；目标声源偏航角的弧度计算值是：α2＝1.1065；目标声源俯仰角的弧度计算值是：β2＝1.1557之外，其他同实施例1。

实施例4

目标声源的位置同实施例3，操作步骤同实施例3。只是，声源定向装置中的传声器阵列的转动杆2转过一个角度，此时阵列夹角θ3＝2.6200；声源到麦克风ⅡS2与麦克风ⅠS1的时间差t₂₁为48×10^-5s(秒)，声源到麦克风ⅢS3与麦克风ⅠS1的时间差t₃₁是-59×10^-5s,声源到麦克风ⅣS4与麦克风ⅠS1的时间差t₄₁是75×10^-5s；目标声源偏航角的弧度计算值是：α3＝1.1065；目标声源俯仰角的弧度计算值是：β3＝1.1453。

实施例3和实施例4分别对同一位置的目标声源进行了定向计算，实施例3的定向计算结果是：偏航角α2＝1.1065，俯仰角β2＝1.1557；实施例4的定向计算结果是：偏航角α3＝1.1065，俯仰角β3＝1.1453。实施例3和实施例4的定向计算结果，分析综合，对方位角加权平均，可得目标声源的偏航角和俯仰角分别是：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\α}2+\mathrm{\α}3}{2}=1.1065,\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\β}2+\mathrm{\β}3}{2}=1.1505$

实施例3和实施例4根据测定环境条件选定目标声源位置，设置其相对于阵列的偏航角的弧度值是1.1071，俯仰角的弧度值是1.1503；实施例1提供的声源定向装置中的传声器阵列，通过改变自身阵列夹角，对上述目标声源进行了两次定向计算，最终测定的声源偏航角是1.1065；俯仰角是1.1505，测定结果更加接近声源的实际方位。

上述实施例中所涉及的元器件均通过公知途径获得，元器件之间的连接方法和安装方法均是本技术领域的技术人员所能掌握的。

Claims (9)

1.声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：包括四个传声器、支撑架、转动杆、转轴和夹角测量机构，其中，四个传声器分别是麦克风Ⅰ、麦克风Ⅱ、麦克风Ⅲ和麦克风Ⅳ，支撑架为等边三角形，在其三个顶角端点上分别设置有阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c，该等边三角形中的一条边凹进去形成一个矩形凹槽，这条边与矩形凹槽的一个接口处焊接着一个圆形钢片，该钢片的圆心位于边的最小侧面上，该圆形钢片上对称分布着两个安装孔e，这条边与矩形凹槽的另一个接口处设有安装孔f，转动杆的形状是小写字母h的形状的长杆，在h形长杆的长柄的端点上设置有阵元安装孔d，在长柄带“┘”形的一端设有安装孔h，在“┘”的另一端设有安装孔g，转轴的一端设置带有安装孔g的安装片，转轴的另一端设置带有安装孔f的安装片，这两个安装片的方向是相反的，夹角测量机构包括旋转电位器、集线插头、电源、微控制器、串口和PC上位机，旋转电位器的上端面上对称分布着两个安装孔e，旋转电位器的下端柄上设有安装孔h，PC上位机是一般的PC机；上述部件的连接方式是：麦克风Ⅰ嵌套进阵元安装孔a，麦克风Ⅱ嵌套进阵元安装孔b，麦克风Ⅲ嵌套进阵元安装孔c，麦克风Ⅳ嵌套进阵元安装孔d；支撑架上的两个安装孔e与旋转电位器的两个安装孔e用螺钉连接，支撑架上的安装孔f与转轴的安装孔f用螺钉连接；转动杆上的安装孔h与旋转电位器的安装孔h用螺钉连接，转动杆上的安装孔g与转轴的安装孔g用螺钉连接；旋转电位器与转轴同轴心设置，转动杆绕转轴转动，并带动旋转电位器旋转，旋转电位器旋转的角度也就是传声器阵列自身的夹角；集线插头上面分布着可连接旋转电位器导线的接口，旋转电位器通过软导线与集线插头相连，再通过导线与微控制器相连，电源用导线与微控制器和旋转电位器分别相连，微控制器通过串口用导线与PC上位机相连，集线插头、电源、微控制器和串口集成在一块电路板上，该电路板固定放置在一个盒子内，微控制器用导线与PC上位机相连，在需要传声器阵列时才将其连接，由此构成完整的声源定向装置中的传声器阵列。

2.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述麦克风均是北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，其直径是1.27cm。

3.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述支撑架是刚性材料，其三角形的每个边的边长为42cm、宽度为2cm和厚度为0.5cm，一条边上的矩形槽的深度是5cm和长度是10cm，支撑架上的阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c的直径都是1.272cm，阵元安装孔a、阵元安装孔b和阵元安装孔c的中心的两两互相连线的直线长度均是40cm，支撑架上钢片的直径是1.8cm，支撑架上安装孔e的直径是0.4cm，两个安装孔e中心的距离是1cm，支撑架上安装孔f的直径是1cm。

4.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述转动杆的形状是小写字母h的形状，其h形长杆的长柄的长度是36cm，转动杆上的阵元安装孔d的直径是1.272cm，转动杆上的安装孔h的直径是0.4cm，转动杆上的安装孔g的直径是1cm，转动杆上的阵元安装孔d与安装孔h的中心连线的长度是34cm。

5.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述转轴的长度是5cm，转轴上的安装孔g和安装孔f的直径都是1cm。

6.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述旋转电位器是BOURNS伯恩斯3590S-2-503LF精密电位器，其输出与输入电压比与旋转角度的关系是线性关系，该旋转电位器的两个安装孔e的直径是0.4cm，两个安装孔e中心的距离是1cm，旋转电位器的安装孔h的直径是0.4cm。

7.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述电路板固定放置的盒子，其长度为8cm和宽度为5cm。

8.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述微控制器包括单片机C8051f350及其载入的中断服务程序流程，该中断服务程序流程是：初始化单片机MCU串口及A/D转换→开启A/D转换中断模式→等待AD转换结束→AD转换是否完成；若AD转换完成→计算旋转角度→发送数据到上位机PC→清除中断屏蔽→返回等待AD转换结束；若AD转换未完成→返回等待AD转换结束。

9.根据权利要求1所述声源定向装置中的传声器阵列，其特征在于：所述集线插头是希嘉SAGA六轴多旋翼3.5mm标准集线插头T插/XT60，电源是输出电压为5V的锂电池，串口是九针D形连接器，即RS-232接口。