CN106251857A - 声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法，声源方向判断装置包括：噪声滤除单元、方向计算单元，以及由对称地分布在X轴、Y轴和Z轴正负方向的三对麦克风构成的麦克风阵列；麦克风阵列接收声源的声波信号，并将声波信号传输至噪声滤除单元；方向计算单元根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。麦克风指向性调节系统的指向性调节单元获取声源方向判断装置计算出的声源的方向坐标，调整麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标，控制麦克风阵列只接受声源方向出射的声波，能够较好地接收语音信号，实现较好的语音增强和降噪效果，保证语音通信的有效性和可靠性。

Description

声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法

技术领域

本发明涉及麦克风语音增强及降噪领域，特别涉及一种声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法。

背景技术

麦克风阵列是指由两个以上麦克风，按照特定的空间形状排列而成。麦克风阵列语音增强方法的研究开始于20世纪80年代，在此之后，各国学者逐渐根据噪声的不同情况，提出基于麦克风阵列的语音增强算法。现有技术中的麦克风语音增强及降噪系统中，由于无法准确判断声源方向，麦克风阵列指向性固定，即，产品应用过程中，麦克风阵列指向固定到默认声源位置。然而，当声源相对位置时常变化时，麦克风接收的信号会出现忽强忽弱的现象。如应用智能手表通话时，佩戴在左手或右手，或者受胳膊活动的影响，在某些位置讲话时麦克风无法很好地接收声音信号，对方听到的声音会较小。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法，以解决现有技术中由于无法准确判断声源方向，只能将麦克风阵列指向固定到默认声源位置，不能很好地接收信号的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供一种声源方向判断装置，包括：噪声滤除单元、方向计算单元，以及由对称地分布在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向的三对麦克风构成的麦克风阵列，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定；

所述麦克风阵列接收声源的声波信号，并将接收的声波信号传输至所述噪声滤除单元；

所述噪声滤除单元滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号，并将滤除噪声信号之后的声波信号发送给所述方向计算单元；

所述方向计算单元根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

可选地，假设经所述噪声滤除单元滤除噪声信号后，所述方向计算单元接收的所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，所述方向计算单元计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|、|P_y+-P_y-|和|P_z+-P_z-|的值，并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

可选地，在判断声源为近距离声源时，所述方向计算单元根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出所述声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。

可选地，在判断声源为远距离声源时，所述方向计算单元对接收的所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号获取时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；

所述方向计算单元根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出所述声源的方向坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{X}_{+}(t-L/c)\×X_{-}\left(t\right)|-|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{X}_{+}\left(t\right)\×X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Y}_{+}(t-L/c)\×Y_{-}\left(t\right)|-|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Y}_{+}\left(t\right)\×Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\Σ}}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Z}_{+}(t-L/c)\×Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\Σ}}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Z}_{+}\left(t\right)\×Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，c是声波在空气中的传播速度。

另一方面，本发明还提供一种麦克风指向性调节系统，包括指向性调节单元和上述的声源方向判断装置，

所述指向性调节单元获取所述声源方向判断装置计算出的声源的方向坐标，调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标。

另一方面，本发明还提供一种声源方向判断方法，在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号；

滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号；

根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

可选地，假设滤除噪声信号后，所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|、|P_y+-P_y-|和|P_z+-P_z-|的值，并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

可选地，在判断声源为近距离声源时，根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出所述声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。

可选地，在判断声源为远距离声源时，获取所述麦克风阵列的每个麦克风接收的声波信号的时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；

根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出所述声源的方向坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{X}_{+}(t-L/c)\×X_{-}\left(t\right)|-|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{X}_{+}\left(t\right)\×X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Y}_{+}(t-L/c)\×Y_{-}\left(t\right)|-|{\Σ}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Y}_{+}\left(t\right)\×Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\Σ}}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Z}_{+}(t-L/c)\×Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\Σ}}_{t=T}^{T+\mathrm{\Δ}t}{Z}_{+}\left(t\right)\×Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，c是声波在空气中的传播速度。

另一方面，本发明还提供一种麦克风指向性调节方法，在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号；

滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号；

根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向；

调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标。本发明的有益效果是：本发明通过在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，该三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列，利用该麦克风阵列接收的声源的声波信号计算声源的方向坐标，判断声源方向。由于该麦克风阵列由X轴、Y轴和Z轴正负方向的三对麦克风组成，因此可以将声源的声波信号分解到X轴、Y轴和Z轴方向上进行计算，计算方法简单，且能够较快速地初判出声源为近距离声源或远距离声源，进而准确地确定出声源的方向。本发明进一步根据声源的方向坐标调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标，控制麦克风阵列只接受声源方向出射的声波，能够较好地接收语音信号，实现较好的语音增强和降噪效果，保证语音通信的有效性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例一的声源方向判断装置的示意图；图2是本发明实施例一的麦克风阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例三的麦克风指向性调节系统的示意图；

图4是本发明实施例四的声源方向判断方法的流程图；

图5是本发明实施例五的麦克风指向性调节方法的流程图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向的对称地设置三对麦克风，由该三对麦克风构成麦克风阵列，利用该麦克风阵列接收的声源的声波信号计算声源的方向坐标，判断声源方向。由于麦克风阵列由X轴、Y轴、Z轴正负方向的三对麦克风组成，因此可以将声源的声波信号分解到X轴、Y轴和Z轴方向，便于方向计算单元的计算，且能够较快速地初判出声源为近距离声源或远距离声源，进而准确地确定出声源的方向。再根据声源的方向坐标调整麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标，控制麦克风阵列只接受声源方向出射的声波，从而较好地接收语音信号，实现较好的语音增强和降噪效果，保证语音通信的有效性和可靠性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种声源方向判断装置100，包括：噪声滤除单元110、方向计算单元130，以及由图2所示的对称地分布在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向的三对麦克风构成的麦克风阵列120。三对麦克风11-16通过XYZ轴结合件2彼此固定。具体地，方向计算单元130例如可以是DSP芯片。

麦克风阵列120接收声源的声波信号，并将接收的声波信号传输至噪声滤除单元110；

噪声滤除单元110滤除接收的声波信号中声源所在频段(300Hz～3.4kHz)之外频段的噪声信号，仅保留300Hz～3.4kHz频段内的语音信号，并将滤除噪声信号之后的声波信号发送给方向计算单元130。

方向计算单元130已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

假设经所述噪声滤除单元滤除噪声信号后，方向计算单元接收的麦克风阵列120的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，方向计算单元130计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|，|P_y+-P_y-|，|P_z+-P_z-|的值并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

需要说明的是，上述的设定阈值例如可以是1E-5、1E-6等，对于近距离声源，声波的声压会随距离的增大明显衰减，|P_x+-P_x-|，|P_y+-P_y-|，|P_z+-P_z-|中至少有一个值大于该设定阈值；对于远距离声源，声波近似平面波，声压随距离变化不明显，|P_x+-P_x-|，|P_y+-P_{y_}|，|P_z+-P_{z_}|中三个值都小于设定阈值。

在判断声源为近距离声源时，方向计算单元130根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。具体地，如果声波从X轴正向入射，则P_x+的值大于P_x-的值，因此P_x->0；如果声波从X轴负向入射，则P_x+的值小于P_x-的值，因此P_x+-P_x-<0。同理，如果声波从Y轴正向入射，P_y+-P_y->0；如果声波从Z轴正向入射，P_z+-P_z->0。

在判断声源为远距离声源时，由于P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-的值都近似等于零，无法根据与近距离声源相同的方法来判断声源的方向坐标。此时采用相关运算来计算声源的方向坐标，首先方向计算单元130对接收的麦克风阵列120的每个麦克风声波信号获取时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；方向计算单元130根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出声源的方向坐标为

(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}(t-L/c)\&times;X_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}\left(t\right)\&times;X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}(t-L/c)\&times;Y_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}\left(t\right)\&times;Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}(t-L/c)\&times;Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}\left(t\right)\&times;Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，在本发明实施例中，L的范围是0～2cm，c是声波在空气中的传播速度。

具体地，如果声源在Y轴或Z轴上，X轴上的一对麦克风的时间序列函数X₊(t)、X_-(t)相同，因此与 的值相同，即cor X＝0。同理，如果声源在X轴或Z轴上，cor Y＝0；如果声源在X轴或Y轴上，cor Z＝0。

如果声波从X轴正向入射，X₊(t)延时L/c的时间与X_{_}(t)的相关性最大，如果声波从X轴负向入射，X轴上一对麦克风的声波信号X-(t)延时L/c的时间与X₊(t)的相关性最大。因此，当声波从X轴正向入射，在有限时间序列[T,T+Δt]内，的值大于 的值，即cor X>0。当声波从X轴负向入射，在有限时间序列[T,T+Δt]内，的值大于的值最大，即cor X<0。对于声波从Y轴正负向、Z轴正负向入射也是类似的原理。

在本发明实施例中，X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离均相等，当然也可设置为不全相等，对于近距离声源，声源方向坐标的计算结果不受影响，对于远距离声源，可根据类似的原理推导出声源方向坐标的计算公式。

实施例二

在本发明实施例二中，为了减小方向计算单元的运算量，可根据麦克风阵列的使用场合，预先判断麦克风阵列接收的声波是来自近距离声源还是远距离声源，在不同使用场合的麦克风阵列中，分别在方向计算单元中预先存储近距离声源和远距离声源对应的算法程序。如果在大多数使用场合下，麦克风阵列接收的声波都是来自近距离声波，那么方向计算单元中的算法程序预先存储为根据声压值计算声源的方向坐标，即坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。如果在大多数使用场合下，麦克风阵列接收的声波都是来自远距离声波，那么方向计算单元中的算法程序预先存储为采用相关运算计算声源的方向坐标，即坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}(t-L/c)\&times;X_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}\left(t\right)\&times;X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}(t-L/c)\&times;Y_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}\left(t\right)\&times;Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}(t-L/c)\&times;Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}\left(t\right)\&times;Z_{-}(t-L/c)|.$

预先判断麦克风阵列接收的声波是来自近距离声源还是远距离声源时，可以根据常用的一个经验公式：r＝2L²/λ，式中L为X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，λ为声波的波长。声源到麦克风阵列的距离大于r时为远距离声源，反之则为近距离声源。在本发明实施例中，语音信号的频率为300Hz～3.4kHz，即语音信号的波长λ的最小值是10cm，如果L取2cm，则计算可知r的最大值是0.8cm。

因此，一般来说，对于耳机中内置的麦克风，接收的声波一般来自近距离声源，在其方向计算单元中可以预先只存储一种针对近距离声源的算法程序，即根据声压值计算声源的方向坐标，坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。对于放置在桌面上使用的麦克风，接收的声波一般来自远距离声源，在其方向计算单元中可以预先只存储一种针对远距离声源的算法程序，即采用相关运算计算声源的方向坐标，坐标为(cor X，cor Y，cor Z)。

当然，为了进一步提高麦克风语音通信的可靠性，也可在一种麦克风阵列中同时存储近距离声源和远距离声源对应的算法程序。例如，对于耳机中内置的麦克风，一般使用场合下其接收的声波来自近距离声源，如果某些情况下讲话者离麦克风距离较远时，用经验公式r＝2L²/λ判断出为远距离声源时，可以利用远距离声源对应的算法程序调整麦克风阵列指向性。

本发明实施例二的其他内容与实施例一类似，此处不再赘述。

实施例三

如图3所示，本发明实施例还提供一种麦克风指向性调节系统200，包括声源方向判断装置210和指向性调节单元220。

在本发明实施例中，声源方向判断装置210和实施例一中的声源方向判断装置100相同，此处不再赘述。

指向性调节单元220获取声源方向判断装置210计算出的声源的方向坐标，调整麦克风的波束指向，使其指向声源的方向坐标。在调整麦克风的波束指向时，根据需要可以仅调整部分麦克风也可以调整全部麦克风，以控制麦克风阵列120的波束精确指向声源。

在本发明实施例中，麦克风阵列是指按一定距离排列放置的一组麦克风，麦克风阵列的波束可以经由特殊电路或程序算法软件控制,使其指向声源方向而加强音频采集效果。麦克风阵列算法处理后的指向性波束形成技术能精确的形成一个锥状窄波束，只接受声源方向出射的声波，同时抑制环境中的噪音与干扰。通过算法控制，方向计算单元在计算出声源的方向坐标之后可以将波束指向声源，可以显著降低周边环境噪声及回声的影响，实现较好的语音增强和降噪效果，保证语音通信的有效性和可靠性。

实施例四

如图4所示，本发明实施例提供一种声源方向判断方法，包括以下步骤：

步骤S310：在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号。

步骤S320：滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号；

步骤S330：根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

在本发明的实施例中，步骤330具体还包括：

假设滤除噪声信号后，麦克风阵列的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|，|P_y+-P_y-|，|P_z+-P_z-|的值，并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

在本发明的实施例中，步骤330具体还包括：

在判断声源为近距离声源时，，根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。

在本发明的实施例中，步骤330具体还包括：

在判断声源为远距离声源时，获取麦克风阵列的每个麦克风接收的声波信号的时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；

根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出声源的方向坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}(t-L/c)\&times;X_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}\left(t\right)\&times;X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}(t-L/c)\&times;Y_{-}\left(t\right)|-|{\&Sigma;}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}\left(t\right)\&times;Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}(t-L/c)\&times;Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}\left(t\right)\&times;Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，c是声波在空气中的传播速度。

实施例五

如图5所示，本发明实施例还提供一种麦克风指向性调节方法，包括以下步骤：

步骤S410：在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号。

步骤S420：滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号。

步骤S430：根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

步骤S440：调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标。

在本发明实施例中，步骤S410、步骤S420、步骤S430分别与实施例四的步骤S310、步骤S320、步骤S330对应相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例的有益效果是：本发明实施例一至五提供了一种声源方向判断装置、方法及麦克风指向性调节系统、方法，通过在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，该三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列，利用该麦克风阵列接收的声源的声波信号计算声源的方向坐标，判断声源方向。由于麦克风阵列由X轴、Y轴和Z轴正负方向的三对麦克风组成，因此可以将声源的声波信号分解到X轴、Y轴和Z轴方向上进行计算，计算方法简单，且能够较快速地初判出声源为近距离声源或远距离声源，进而，进而准确地确定出声源的方向。本发明实施例进一步根据声源的方向坐标调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标，控制麦克风阵列只接受声源方向出射的声波，能够较好地接收语音信号，实现较好的语音增强和降噪效果，保证语音通信的有效性和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种声源方向判断装置，其特征在于，包括：噪声滤除单元、方向计算单元，以及由对称地分布在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向的三对麦克风构成的麦克风阵列，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定；

所述麦克风阵列接收声源的声波信号，并将接收的声波信号传输至所述噪声滤除单元；

所述噪声滤除单元滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号，并将滤除噪声信号之后的声波信号发送给所述方向计算单元；

所述方向计算单元根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

2.根据权利要求1所述的声源方向判断装置，其特征在于，假设经所述噪声滤除单元滤除噪声信号后，所述方向计算单元接收的所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，所述方向计算单元计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|、|P_y+-P_y-|和|P_z+-P_z-|的值，并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

3.根据权利要求2所述的声源方向判断装置，其特征在于，在判断声源为近距离声源时，所述方向计算单元根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出所述声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。

4.根据权利要求2所述的声源方向判断装置，其特征在于，在判断声源为远距离声源时，所述方向计算单元对接收的所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号获取时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；

所述方向计算单元根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出所述声源的方向坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}(t-L/c)\&times;X_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}\left(t\right)\&times;X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}(t-L/c)\&times;Y_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}\left(t\right)\&times;Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}(t-L/c)\&times;Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}\left(t\right)\&times;Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，c是声波在空气中的传播速度。

5.一种麦克风指向性调节系统，其特征在于，包括指向性调节单元和权利要求3或4所述的声源方向判断装置，

所述指向性调节单元获取所述声源方向判断装置计算出的声源的方向坐标，调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标。

6.一种声源方向判断方法，其特征在于，

在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号；

滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号；

根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向。

7.根据权利要求6所述的声源方向判断方法，其特征在于，

假设滤除噪声信号后，所述麦克风阵列的每个麦克风的声波信号的声压值分别为：P_x+，P_x-，P_y+、P_y-、P_z+和P_z-，计算X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差绝对值|P_x+-P_x-|、|P_y+-P_y-|和|P_z+-P_z-|的值，并初判声源位置：

若其中至少一个值大于设定阈值，则判断声源为近距离声源；若三个值都小于设定阈值，则判断声源为远距离声源。

8.根据权利要求7所述的声源方向判断方法，其特征在于，在判断声源为近距离声源时，根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声压差，计算出所述声源的方向坐标为(P_x+-P_x-，P_y+-P_y-，P_z+-P_z-)。

9.根据权利要求7所述的声源方向判断方法，其特征在于，

在判断声源为远距离声源时，获取所述麦克风阵列的每个麦克风接收的声波信号的时间序列函数分别为X₊(t)、X_-(t)、Y₊(t)、Y_-(t)、Z₊(t)和Z_-(t)；

根据X轴、Y轴和Z轴三个方向的声波信号的时间序列函数的相关性，计算出所述声源的方向坐标为(cor X，cor Y，cor Z)，其中，

$corX=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}(t-L/c)\&times;X_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{X}_{+}\left(t\right)\&times;X_{-}(t-L/c)|,$

$corY=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}(t-L/c)\&times;Y_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Y}_{+}\left(t\right)\&times;Y_{-}(t-L/c)|,$

$corZ=|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}(t-L/c)\&times;Z_{-}\left(t\right)|-|{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=T}^{T+\mathrm{\&Delta;}t}{Z}_{+}\left(t\right)\&times;Z_{-}(t-L/c)|,$

L是X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向上每对麦克风之间的距离，c是声波在空气中的传播速度。

10.一种麦克风指向性调节方法，其特征在于，

在X轴正负方向、Y轴正负方向和Z轴正负方向对称地设置三对麦克风，所述三对麦克风通过XYZ轴结合件彼此固定，由该三对麦克风构成麦克风阵列接收声源的声波信号；

滤除接收的声波信号中声源所在频段之外频段的噪声信号；

根据已滤除噪声信号的声波信号计算声源的方向坐标，根据声源的方向坐标判断出声源方向；

调整所述麦克风阵列的波束指向，使其指向声源的方向坐标。