CN106170681A - 自适应声学强度分析仪 - Google Patents

Abstract

具有声学强度分析仪的用于提供音频输出的系统和方法。声学强度分析仪包括声学强度阵列、控制器以及取向传感器。声学强度阵列被固定到声学强度分析仪。该控制器被耦合到声学强度阵列以基于来自声学强度阵列的输入使用声学全息照相术来产生音频输出。控制器被配置成将声学全息照相术的目标设定在所选方向上。取向传感器被耦合到控制器且被机械固定到声学强度分析仪，使得在取向传感器与声学强度阵列之间不存在相对移动。取向传感器检测声学强度阵列的取向的变化并向控制器提供取向信号以便调整声学全息照相术的目标以保持所选方向。

Description

自适应声学强度分析仪

相关申请

本申请要求于2014年3月18日提交且题为“DIRECTIONAL MICROPHONE SYSTEM WITHINTERGRAL INERTIAL REFERENCE”的美国临时申请号61/955,151的优先权，该申请的全部内容被通过引用并入。本申请还要求于2014年10月6日提交且题为“MICROPHONE SYSTEMWITH INTEGRAL INERTIAL REFERENCE”的美国临时申请号62/060,364的优先权，该申请的全部内容被通过引用并入。

背景技术

本发明的实施例涉及一种具有声学强度阵列的声学强度分析仪和一种用于确定声学强度分析仪的自取向（self-orientation）的整体惯性参考设备。

声学强度阵列可以提供声学源的空间跟踪。然而，其位置和取向必须是预定且固定的。声学强度阵列可以提供声学环境相对于其组件的轴的矢量采样。然而，阵列轴到声学环境的物理取向对于矢量采样的准确度而言是至关重要的。如果声学强度阵列被冲撞且阵列轴的取向从其预定方向偏离，则声学矢量采样具有很少的用途（如果有的话）。

发明内容

如果声学强度阵列能够相对于惯性参考系连续地确定其取向，则可以放松声学强度阵列的固定取向要求。声学强度分析仪中的整体惯性跟踪系统可以提供必要的跟踪以跟随声学强度阵列中的任何位置变化。

因此，在一个实施例中，本发明提供了一种用以产生音频输出的声学强度分析仪。声学强度分析仪包括声学强度阵列、控制器以及取向传感器。声学强度阵列被固定到声学强度分析仪。该控制器被耦合到声学强度阵列以基于来自声学强度阵列的输入使用声学全息照相术来产生音频输出。控制器被配置成将声学全息照相术的目标设定在所选方向上。取向传感器被耦合到控制器且被机械固定到声学强度分析仪，使得在取向传感器与声学强度阵列之间不存在相对移动。取向传感器检测声学强度阵列的取向的变化并向控制器提供取向信号以便调整声学全息照相术的目标以保持所选方向。

在另一实施例中，本发明提供了使用声学强度分析仪来产生音频输出的方法。方法包括用被固定到声学强度分析仪的声学强度阵列来捕捉输入。方法还包括用被耦合到声学强度阵列的控制器基于该输入而使用声学全息照相术来产生音频输出。方法还包括用控制器将声学全息照相术的目标设定在所选方向上。方法还包括用被机械固定到声学强度分析仪的取向传感器来检测声学强度分析仪的取向的变化，使得在取向传感器与声学强度阵列之间不存在相对移动。本方法还包括用取向传感器来确定取向信号。该取向信号基于声学强度分析仪的取向的变化。本方法还包括用控制器基于取向信号来调整声学全息照相术的目标以保持所选方向。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的某些实施例的声学强度分析仪的框图。

图2是根据本发明的某些实施例的声学强度阵列的3D图。

图3A是处于第一位置上的图1的声学强度分析仪。

图3B是处于第二位置上的图1的声学强度分析仪。

图4是包括多个声学强度分析仪的声学强度分析系统。

图5是包括多个声学强度分析仪的声学强度分析系统。

具体实施方式

在详细地解释本发明的任何实施例之前，应理解的是本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在以下各图中示出的部件的构造细节和布置。本发明能够有其它实施例并被以各种方式实施或执行。

并且，应理解的是在本文中使用的措辞和术语用于描述的目的且不应视为限制性的。“包括”、“包含”或“具有”及其变体在本文中的使用意图涵盖在其后面列出的项目及其等价物以及附加项目。术语“安装”、“连接”和“耦合”被宽泛地使用且涵盖直接和间接两者的安装、连接和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接的。

还应注意的是可利用多个不同的结构部件来实现本发明。此外，并且如在后续段落中所述，图中所示的特定配置意图举例说明本发明的实施例。替换配置是可能的。

声学全息照相术是一种用来通过经由扩音器阵列远离源测量声学参数来估计源附近的声场的方法。换言之，声学全息照相术是一种映射环境中的声场的方法。该声学强度阵列确定用于阵列范围中的每个波发射源的多个矢量量。波包括例如音频波和超声波。每个矢量量包括用于声场的速度分量和压力分量两者。矢量量表示声场的强度（也称为功率）测量结果。强度值包括用于声场的一个或多个矢量量。

声学全息照相术被移动设备（诸如蜂窝电话）中的声学强度分析系统用来从用户捕捉声音并产生音频输出。记录目标声场的另一个方法是波束形成。波束形成与声学全息照相术相差悬殊。波束形成通过改变波束特性来改善记录目标声场的质量（即，在主动地滤出其它声场的同时定位于期望源上）。换言之，波束形成通过从其它位置去除声信号来改善声信号从所选位置的捕捉。更简单点说，波束形成去除不想要的音频信号以提供想要的音频信号的更好记录。

不同于波束形成，声学全息照相术并不去除任何信息。声学全息照相术为环境中的每个声源提供完整声学矢量场。本质上，声学全息照相术提供环境中的每个音频信号的完整画面。此完整画面使得声学强度分析系统能够基于环境中的单个声源而产生音频输出。为了提供此完整画面，声学全息照相术要求声学强度阵列的已知参考位置。换言之，声学全息照相术要求声学强度阵列中的扩音器的每个之间的相对位置和声学强度阵列与参考位置之间的相对位置是已知的。此外，声学全息照相术要求这些相对位置保持恒定。声学强度阵列的任何运动向测量的矢量量中引入定位误差。

图1图示出根据本发明的某些实施例的声学强度分析仪10的框图。声学强度分析仪10包括（除其它部件之外）声学强度阵列15，其具有多个扩音器20A—20F、取向传感器25、控制器30以及通信模块35。取向传感器25使得声学强度分析仪10能够检测声学强度阵列15相对于参考位置（未示出）的位置变化并允许控制器30修改（adapt）矢量量以用于声场的不间断捕捉。

在某些实施例中，扩音器20A—20F是强度探测器和/或粒子速度换能器。在某些实施例中，扩音器20A—20F是压力梯度扩音器。压力梯度扩音器测量声场的速度分量。在某些实施例中，扩音器20A—20F是包括速度梯度传感器的强度探测器。速度梯度传感器测量声场的压力分量。

在某些实施例中，取向传感器25是指南针（compass），其被机械固定到声学强度分析仪10，使得在指南针安装与声学强度阵列15之间不存在相对移动。出于本申请的目的，指南针是基于声学强度分析仪10在地球磁场内的位置而提供取向信号的设备。磁强计是示例性指南针。

在某些实施例中，取向传感器25是加速度计，其被机械固定到声学强度分析仪10，使得在加速度计安装与声学强度阵列15之间不存在相对移动。加速度计基于加速度和重力感生反作用力来提供取向信号。因此，加速度计提供惯性参考平台，其可以在不使用外部参考的情况下确定声学强度分析仪10的位置和取向的变化。

在某些实施例中，取向传感器25是惯性传感器，其被声学强度分析仪10机械地支撑，使得在惯性传感器安装与声学强度阵列15之间不存在相对移动。出于本发明的目的，惯性传感器包括感测支撑结构相对于抵抗取向变化的结构的取向变化的任何设备。陀螺仪是示例性惯性传感器。

在某些实施例中，取向传感器25包括如上文所讨论的指南针、加速度计以及惯性传感器的任何组合。在某些实施例中，取向传感器25是微机电系统（MEMS）设备。

控制器30包括或被连接到外部设备（例如，计算机），其包括可操作用于（除其它事物之外）确定用于在声学强度分析仪10的范围中的声源的矢量量的软件和硬件的组合。在一个实施例中，控制器30或外部设备包括印刷电路板（“PCB”），其被用向声学强度分析仪10提供功率、操作控制以及保护的多个电气和电子部件填充。在某些实施例中，PCB包括例如处理单元40（例如，微处理器、微控制器或另一适当可编程器件）、存储器45以及总线。该总线将包括存储器45的PCB的各种部件连接到处理单元40。存储器45包括例如只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、电可擦可编程只读存储器（“EEPROM”）、闪存、硬盘或另一适当的磁性、光学、物理或电子存储器设备。处理单元40被连接到存储器45并执行能够被存储在RAM（例如，在执行期间）、ROM（例如，在大体上永久的基础上）或诸如另一存储器或磁盘之类的另一非临时计算机可读介质中的软件。另外或替换地，存储器45被包括在处理单元40中。控制器30还包括输入/输出（I/O）单元50，其包括用于在控制器30内的部件与声学强度分析仪10或其它声学强度分析仪的其它部件之间传输信息的例程。例如，通信模块35被配置成提供声学强度分析仪10与声学强度分析系统中的一个或多个设备之间的通信。

包括在声学强度分析仪10的某些实施例中的软件被存储在控制器30的存储器45中。该软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。控制器30被配置成从存储器45检索并执行（除其它事物之外）与所述控制过程和方法有关的指令。例如，控制器30被配置成执行从存储器45检索的指令以用于使用来自取向传感器25的取向信号来修正量矢量中的定位误差。在某些实施例中，控制器30或外部设备包括附加、更少或不同的部件。

PCB还包括（除其它部件之外）多个附加的无源和有源部件，诸如电阻器、电容器、电感器、集成电路以及放大器。这些部件被布置并连接成向PCB提供多个电功能，除其它事物之外，包括滤波、信号调节或电压调节。出于描述性目的，将PCB和在PCB上填充的电气部件共同地称为控制器30。

通信模块35向和/或从一个或多个单独通信模块发送和/或接收信号。信号（除其它组成部分之外）包括信息、数据、串行数据以及数据分组。通信模块35可经由导线、光纤和/或无线连接耦合到一个或多个单独通信模块。可以使用包括例如以太网的已知网络网络来实现经由导线和/或光纤的通信。可以使用包括例如Wi-Fi连接的已知技术来实现无线连接。

图2图示出根据本发明的某些实施例的声学强度阵列15的3维表示。图2中所示的声学强度阵列15包括六个扩音器20A—20F。声学强度阵列15的六个侧面中的每一个包括扩音器。

图3A图示出声学强度分析仪10及两个声源55和57。声学强度分析仪10相对于参考取向60位于第一取向。在某些实施例中，参考取向60是世界参考取向。声源55和57产生声场。声学强度分析仪10中的控制器30确定用于声场中的每一个的矢量量。因此，控制器30确定用于声源的每个的矢量量。然而，控制器30使声学全息照相术瞄准在如指向声源55的短划线58所指示的所选方向。控制器30使用用于声源55的矢量量来产生表示由声源55产生的声场的音频输出。取向传感器25确定声学强度分析仪10相对于参考取向60的取向。相对于参考取向60来确定声学全息照相术的目标。

图3B图示出取向变化之后的声学强度分析仪10。声学强度分析仪10现在相对于参考取向60位于第二取向中。声学强度分析仪10的位置变化在由声学强度分析仪10中的控制器30确定的矢量量中引入定位误差。取向传感器25确定声学强度分析仪10相对于参考取向60的新取向以便修正由声学强度分析仪10中的控制器30确定的矢量量的定位误差。取向传感器25向控制器30提供取向信号以便调整声学全息照相术的目标以在尽管声学强度分析仪10移动的情况下保持声学全息照相术的所选方向。

在某些实施例中，声学强度分析仪10包括多于一个声学强度阵列15。在包括多于一个声学强度阵列15的声学强度分析仪10中，控制器30确定用于每个声学强度阵列15的单独矢量量。控制器30还将单独的矢量量组合以确定总体矢量量。由于声学强度分析仪10中的多于一个声学强度阵列15之间的相对位置是恒定的，所以单个取向传感器25能够提供控制器30用来修正来自每个声学强度阵列15的矢量量的取向信号。在某些实施例中，声学强度分析仪10包括多于一个的取向传感器25。

在另一实施例中，声学强度分析系统65包括（除其它部件之外）多个声学强度分析仪10A—10C，如图4中所示。所述多个声学强度分析仪10A—10C中的每一个包括至少一个声学强度阵列15和至少一个取向传感器25。每个声学强度分析仪10A—10C中的取向传感器25确定声学强度分析仪10A—10C相对于世界参考取向70的取向。取向传感器25修正由声学强度分析仪10A—10C中的每一个中的声学强度阵列15测量的矢量量以补偿每个声学强度分析仪的各个运动。来自声学强度分析系统65中的每个声学强度分析仪10A—10C的矢量量被组合而产生用于声源55的最后一组矢量量。

在某些实施例中，声学强度分析系统65中的声学强度分析仪10A—10C中的一个被指定为主声学强度分析仪，如图5中所示。例如，图5中的声学强度分析仪10A被指定为主声学强度分析仪。主声学强度分析仪10A从声学强度分析系统65中的其它声学强度分析仪10B和10C接收信息。在一个实施例中，该信息包括（除其它组成部分之外）来自其它声学强度分析仪10B和10C的矢量量和取向信号。在另一实施例中，信息包括（除其它组成部分之外）声学强度阵列15的测量结果和来自其它声学强度分析仪10B和10C的取向信号。

在某些实施例中，使用主参考取向75来代替世界参考取向70。主参考取向75是主声学强度分析仪10C的取向。其它声学强度分析仪10B和10C使用其取向传感器25来确定其相对于主参考取向75的取向。在某些实施例中，主声学强度分析仪从一个声学强度分析仪变成另一个。例如，包括被集成到可穿戴设备中、穿戴在用户的头上的第一声学强度分析仪以及被集成到蜂窝电话中的第二声学强度分析仪的示例性声学强度分析系统。第一声学强度分析仪是主声学强度分析仪，直至用户在电话上发起活动为止，诸如拍摄视频。在拍摄视频的同时，第二声学强度分析仪是主声学强度分析仪。

在包括多个声学强度分析仪的声学强度分析系统中，每个声学强度分析仪的相对位置必须是已知的以使用声学全息照相术。这些相对位置在声学强度分析系统的启动期间通常是未知的。在某些实施例中，声学强度分析仪确定其相对位置。在某些实施例中，可将惯性方法或包括GPS的其它位置检测设备用于确定各个声学强度分析仪的位置。在某些实施例中，每个声学强度分析仪包括声源。可以使用呼叫和重复的方法来对声学强度分析仪中的每一个的相对位置进行三角测量（triangulate）。在一个声学强度分析仪提供声学线性调频脉冲（chirp）的同时，所有其它声学强度分析仪进行侦听。每个声学强度分析仪基于该声学线性调频脉冲给予提出的矢量量。继而，每个声学强度分析仪发出线性调频脉冲，同时其它声学强度分析仪进行侦听。用给予的矢量量信息，确定每个声学强度分析仪的相对位置。

在另一实施例中，声学强度分析仪被相互无线地（例如，Wi-Fi）电耦合。可用无线信号来执行呼叫和重复的相同方法以对声学强度分析仪的相对位置进行三角测量。

在声学记录/跟踪之外的其它应用（诸如超声波）是可能的。

因此，本发明提供了（除其它事物之外）用于产生音频输出的系统和方法。在以下权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用以提供音频输出的声学强度分析仪，该声学强度分析仪包括：

声学强度阵列，其被固定到所述声学强度分析仪；

控制器，其被耦合到所述声学强度阵列以基于来自所述声学强度阵列的输入使用声学全息照相术来产生音频输出，该控制器被配置成将声学全息照相术的目标设定在所选方向上；以及

取向传感器，其被耦合到所述控制器并被机械固定到声学强度分析仪，使得在所述取向传感器与所述声学强度阵列之间不存在相对移动，该取向传感器检测声学强度阵列的取向的变化，并向控制器提供取向信号以便调整声学全息照相术的目标以保持所选方向。

2.权利要求1的声学强度分析仪，其中，所述取向传感器是选自由加速度计、陀螺仪以及磁强计组成的组的至少一个。

3.权利要求1的声学强度分析仪，其中，所述控制器被进一步配置成基于来自所述声学强度阵列的输入使用声学全息照相术来产生音频输出，包括基于输入和取向信号来确定强度值。

4.权利要求3的声学强度分析仪，其中，所述输入包括声信号的速度和声信号的压力。

5.权利要求1的声学强度分析仪，其中，所述控制器进一步被配置成从第二声学强度分析仪接收信息，该第二声学强度分析仪包括第二声学强度阵列和第二取向传感器，其中，所述声学强度分析仪的位置不同于所述第二声学强度分析仪的第二位置。

6.权利要求5的声学强度分析仪，其中，所述控制器被进一步配置成基于来自所述声学强度阵列的输入和针对第二声学强度分析仪接收到的信息使用声学全息照相术来产生音频输出。

7.权利要求5的声学强度分析仪，其中，所述控制器进一步被配置成确定声学强度分析仪中的声学强度阵列和第二声学强度分析仪中的第二声学强度阵列的取向的差。

8.权利要求5的声学强度分析仪，其中，所述控制器进一步被配置成确定第二声学强度分析仪的位置。

9.权利要求8的声学强度分析仪，其中，所述控制器进一步被配置成基于输入和从第二声学强度分析仪接收到的信息来确定所选方向。

10.权利要求5的声学强度分析仪，其中，所述信息包括选自由来自第二声学强度阵列的第二输入、来自第二取向传感器的第二取向信号以及强度值组成的组的至少一个。

11.一种使用声学强度分析仪来提供音频输出的方法，该方法包括：

用被固定到声学强度分析仪的声学强度阵列来捕捉输入；

用被耦合到声学强度阵列的控制器基于该输入而使用声学全息照相术来产生音频输出，

用控制器将声学全息照相术的目标设定在所选方向上；

用被机械固定到声学强度分析仪的取向传感器来检测声学强度分析仪的取向的变化，使得在取向传感器与声学强度阵列之间不存在相对移动；

用取向传感器来确定取向信号，该取向信号是基于所述声学强度分析仪的取向的变化；以及

用控制器基于取向信号来调整声学全息照相术的目标以保持所选方向。

12.权利要求11的方法，其中，所述取向传感器是选自由加速度计、陀螺仪以及磁强计组成的组的至少一个。

13.权利要求11的方法，还包括：用控制器基于输入和取向信号来确定强度值。

14.权利要求13的方法，其中，所述输入包括声信号的速度和声信号的压力。

15.权利要求11的方法，还包括：用控制器从第二声学强度分析仪接收信息，该第二声学强度分析仪包括第二声学强度阵列和第二取向传感器，其中，所述声学强度分析仪的位置不同于所述第二声学强度分析仪的第二位置。

16.权利要求15的方法，还包括：用控制器基于来自所述声学强度阵列的输入和针对第二声学强度分析仪接收到的信息使用声学全息照相术而产生音频输出。

17.权利要求15的方法，还包括：用控制器确定声学强度分析仪中的声学强度阵列和第二声学强度分析仪中的第二声学强度阵列的取向的差。

18.权利要求15的方法，还包括：用控制器来确定第二声学强度分析仪的位置。

19.权利要求18的方法，还包括：用控制器基于输入和从第二声学强度分析仪接收到的信息来确定所选方向。

20.权利要求15的方法，其中，所述信息包括选自由来自第二声学强度阵列的第二输入、来自第二取向传感器的第二取向信号、以及强度值组成的组的至少一个。