CN107154256A - 基于声源定位的声掩蔽系统及自适应调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统,包括语音采集电路、中央处理单元、噪声发生模块、运放电路、幅度可调电路、功放电路和终端;语音采集电路由多路MIC组成,ARM处理器经控制总线接口与幅度可调电路相连接,以调整输出的噪声干扰信号的幅度。本发明的自适应调整方法,首先确定出声源的坐标,再根据终端与声源的距离计算出每个终端处的声压强度,再根据防护信噪比确定每个终端应输出的干扰噪声的强度。本发明应用在保密会议室的声掩蔽系统中,能够从根本上优化声掩蔽系统的防护效果,以最小的噪声干扰获取最佳的防窃听效果,从根本上对声掩蔽系统的防护效果和干扰效果进行了优化,一定程度上减少掩蔽声的噪声污染。
Description
技术领域
本发明属于信息保密与信息安全技术领域,特别涉及保密会议室声信息安全防护技术。本发明涉及一种基于声源定位的声掩蔽系统及自适应调整方法,更具体的说,在声掩蔽系统中应用了声源定位算法,根据定位信息,自适应调整声掩蔽系统中不同终端处的掩蔽信号的能量强度,进而优化声掩蔽系统性能的声掩蔽系统及自适应调整方法。
背景技术
随着信息技术的发展,窃听手段日益先进,给声信息安全带来严峻的挑战。保密会议室等涉密场所涉及国家政策、军事、商业、科技等机密信息,广泛存在于军队、国家机关、科研机构、国防军工单位及企业,是信息安全的重点防护对象,其设施条件和安全状况直接关系到涉密活动能否顺利进行及其讲话内容的安全。目前,为了保障保密会议室的声信息安全,主要有两种措施,一是通过改善建筑介质的物理手段解决,二是通过安装声掩蔽系统来实现。相比较而言,安装声掩蔽系统的方式更加灵活便捷,成本低,因而在国内外得到了广泛采用。
声掩蔽系统通过在可能泄露声音信息的通道介质(如门、窗、玻璃及管道等)上施加干扰掩蔽信号,达到防窃听目的,但同时也会对室内环境产生一定的噪声干扰,从而影响谈话的舒适度。现有的声掩蔽系统产生的掩蔽信号,能够根据讲话人音量大小自适应调整终端的输出能量。但是现有技术在产生特定信噪比的干扰掩蔽信号的时候,参考信号是主机麦克风采集的声音信号,而不是各个振动终端(或扬声器)处的声音信号,并不准确,既存在泄露风险,又可能造成更大的噪声干扰。为了使得声掩蔽系统在达到良好的防窃听效果的同时,尽量减少对室内环境的影响,提出了基于声源定位的声掩蔽系统及自适应调整方法。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点,提供了一种基于声源定位的声掩蔽系统及自适应调整方法。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统,包括语音采集电路、中央处理单元、噪声发生模块、运放电路、幅度可调电路、功放电路和终端;语音采集电路由多路MIC组成,MIC用于采集讲话人语音,中央处理单元由ARM处理器及与其相连接的A/D转换器和控制总线接口组成;终端的数量为多个,其采用扬声器和/或振动转换器;其特征在于:所述MIC的输出依次经放大电路、A/D转换器的处理后输入至ARM处理器中,噪声发生模块用于产生噪声干扰信号,噪声发生模块的输出经运放电路的放大处理后输入至幅度可调电路中,幅度可调电路的输出经功放电路的放大后驱使终端进行空气声和/或振动声的转换;ARM处理器经控制总线接口与幅度可调电路相连接,以调整输出的噪声干扰信号的幅度,使终端输出与自身位置相关的噪声干扰信号。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统,所有的MIC和所有的终端与声源的麦克风处于同一平面内。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统,所述MIC的数量为4个,4个MIC等间距地布设于同一直线上;所述终端的数量为n个,n≥2。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,其特征在于,通过以下方法来实现:
首先将声掩蔽系统布设于涉密场所内,并保证所有的MIC(1)、所有的终端(10)和声源S的麦克风处于同一平面内,并确定出MIC和终端的位置坐标;然后根据MIC坐标、不同MIC接收到的语音信号的时延差计算出声源坐标S(x0,y0),再根据声源坐标S(x0,y0)计算出每个终端到声源的距离;最后,根据声音衰减规律计算出每个终端处的声压强度,再根据防护信噪比确定出每个终端应输出的干扰噪声的强度,并将计算出的干扰噪声的强度通过相应的终端输出,即可实现对声源的掩蔽,同时减少了掩蔽声的噪声污染。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,MIC的数量为4个,分别用Mic1、Mic2、Mic3和Mic4来表示,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4依次等间距地设置于同一条直线上,相邻MIC之间的距离为d;以Mic2为原点、Mic1至Mic4所在的直线为X轴,在MIC和终端所在的平面内建立平面直角坐标系XY;基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法具体通过以下步骤来实现:
a).建立距离与时延的关系,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的坐标分别为(-d,0)、(0,0)、(d,0)和(2d,0),设声源S的坐标为S(x0,y0),终端ti的坐标为(xi,yi),i≤n,n为终端的个数;r1、r2、r3、r4分别为声源到Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的连线距离,则可得到如公式(1)所示的距离与时延的关系式:
其中,c声音在空气中的传播速度,τ21为Mic2与Mic1的时延差,τ23为Mic2与Mic3的时延差,τ24为Mic2与Mic4的时延差;
b).求声源到Mic1、Mic3和Mic4的距离,r2与X轴的夹角用θ表示,声源S、Mic1和Mic2组成的三角形为Δs12,声源S、Mic2和Mic3组成的三角形为Δs23,声源S、Mic2和Mic4组成的三角形为Δs24;在三角形Δs12、Δs23和Δs24中由余弦定理可得:
由公式(2)得到声源到三个麦克风Mic1、Mic3和Mic4的距离:
c).等式变换,由公式(1)求得的r1、r3、r4的表达式带入公式(3)可得:
对公式(4)中的等式两边进行平方可得:
d).求声源到原点的距离和夹角的估计值,由等式(5)和等式(6)得到第一组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
由等式(5)和等式(7)得到第二组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
由等式(6)和等式(7)得到第三组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
e).求声源到原点的距离和夹角值,根据式(8)、(9)和(10)计算的估计值,对其求平均后作为声源的距离值和夹角值
f).求声源坐标,根据公式(11)即可计算出声源的坐标(x0,y0):
g).求声源与终端的距离,声源S(x0,y0)的坐标求出后,即可求出声源S(x0,y0)与终端ti(xi,yi)的距离rti:
式中,1≤i≤n;
h).求终端ti(xi,yi)处的声压强度值,根据声音衰减规律可知,在距离声源r2处和rti处的声压强度的衰减量计算公式如下:
终端ti(xi,yi)处的声压强度值Lpi通过公式(15)进行求取:
Lpi=Lp2-LpΔti (15)
Lp2为Mic2处的声压强度值,其通过Mic2进行获取;
i).确定干扰噪声的强度,根据公式(16)求取声掩蔽系统通过终端ti(xi,yi)输出的干扰噪声的强度Iti(xi,yi):
Iti(xi,yi)=Lpti-NSNR (16)
其中,NSNR为要求的防护信噪比;
j).干扰噪声输出,令i取1至n之间的正整数,并依次执行步骤g)至i),直至获取所有终端应输出的干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),由中央处理单元将干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn)通过相应的终端输出,以使声源具有良好的防窃听效果,同时减少掩蔽声的噪声污染。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,步骤a)中Mic2与Mic1的时延差τ21、Mic2与Mic3的时延差τ23、Mic2与Mic4的时延差τ24的获取方法为:首先利用互功率谱相位时延估计算法,计算出Mic2与Mic1的延时点数n21、Mic2与Mic3的延时点数n23和Mic2与Mic4的延时点数n24;然后将延时点数n21、n23和n24分别除以采样率fs,即得到延时差值τ21、τ23和τ24。
本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,步骤j)中,ARM处理器根据n个终端所需的干扰噪声强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),确定出发给n个幅度调整电路的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn;n个幅度调整电路根据接收到的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn,对n个终端所需的干扰噪声强度进行自适应调整,以输出与终端所在位置处声音能量相关的声掩蔽信号。
本发明的有益效果是:本发明的基于声源定位的声掩蔽系统及自适应调整方法,利用多麦克风声源定位技术,在定位到说话人室内坐标后,根据测到的声源的主机麦克风音量和所在坐标、各个振动终端(或扬声器)所在坐标以及声音能量衰减规律,计算出各个振动终端(或扬声器)所在坐标处的声音能量,从而更加精准地设定干扰信号的能量,满足系统要求的信噪比,以最小的噪声干扰获取最佳的防窃听效果。本发明应用在保密会议室的声掩蔽系统中,能够从根本上优化声掩蔽系统的防护效果,以最小的噪声干扰获取最佳的防窃听效果,从根本上对声掩蔽系统的防护效果和干扰效果进行了优化,一定程度上减少掩蔽声的噪声污染。
附图说明
图1为本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的原理图;
图2为本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的布设及工作原理图;
图3为本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法的流程图。
图中:1MIC,2放大电路,3A/D转换器,4ARM处理器,5控制总线接口,6噪声发生模块,7运放电路,8幅度可调电路,9功放电路,10终端。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,给出了本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的原理图,其由语音采集电路、中央处理单元、噪声发生模块6、运放电路7、幅度可调电路8、功放电路9和终端10组成,语音采集电路由MIC(麦克风)和放大电路2组成,MIC的数量为多个(本实施例中为4个),每个MIC的输出均通过一路放大电路2进行放大处理。MIC用于采集讲话人语音,并将采集的微弱信号经放大电路2进行放大处理,放大后的语音通过A/D转换器3转换为数字信号,发送给RM处理器4。
所示中央处理单元由ARM处理器4组成,ARM处理器4具有信号采集、数据运算和控制输出的作用,可采用ARM处理器4内置的A/D功能作为A/D转换器3。ARM处理器4的外围连接有控制总线接口5,ARM处理器4通过控制总线接口5对幅度可调电路8进行控制,以调节每个终端10输出的噪声干扰信号的强度。
所示噪声发生模块6的输出经运放电路7的放大处理后,输入至幅度可调电路8中,幅度可调电路8在ARM处理器4的控制作用下对噪声干扰信号进行幅度调节后,输出的信号再经过功放电路9进行功率放大后,最终由终端10进行输出。噪声发生模块6作用是产生噪声干扰信号,产生干扰信号的类型包含白噪声和类语音噪声。白噪声信号为电路级的真随机干扰信号,由于该信号的频谱特性和真随机性,使得干扰信号具有抗消除特性,增强了防护能力。类语音信号,具有人类语言的频谱特性,但实际上没有任何语义,用在防窃听系统中,具有干扰窃听者的作用。
运放电路7的作用是将噪声干扰信号进行放大,并发送给幅度调整电路8进行调整。运放电路(运算放大电路)7是独立模块,根据系统的容量需求,自由定制,确定所选运放电路的个数n。系统中运放电路模块、幅度调整电路模块和功放电路模块都是独立模块,所需的具体数量是一致的都为n。
幅度调整电路的作用是将接收到的噪声干扰信号,根据ARM处理器4发送过的强度调整指令进行幅度调整。每个终端10对应一个幅度调整电路8,每个幅度调整电路8的接收的控制指令,都是经过ARM处理器4计算得出的。
功放电路9的作用是将接收到的调整后的信号,进一步放大,以便产生足够大的电流,去推动终端10进行空气声或振动声的转换。
终端10的个数n是根据系统容量需求确定的。终端10的种类包含两种:扬声器和振动转换器。扬声器将噪声干扰电信号转换为空气声,振动转换器将噪声干扰信号转换为振动声。系统安装完毕后,终端的坐标信息就确定了。确定后的坐标信息,通过设置界面输入系统中,供能量自适应调整算法使用。
其中,ARM处理器4可采用型号为STM32F303的芯片,该芯片接口丰富,能够为多终端的幅度控制提供足够的总线接口;内存包含40KBytes的RAM和256Kbyte的FLASH,为程序的运行和存储提供保障;主频最高为72MHZ,能够满足程序对运算量的需求;具有四个ADCS,正好满足该算法中4个Mic定位的需求,且电路连接简单、稳定。ARM根据麦克风的定位情况,计算出对应的终端1、终端2、...、和终端n处的声压强度Lp1、Lp2、...、Lpn。根据Lp1、Lp2、...、Lpn确定出输出强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、...和Itn(xn,yn)。STM32F303通过I2C总线将输出强度的值输送给幅度可调电路8,幅度可调电路8根据接收到的强度值,对掩蔽信号的强度进行调整。n个终端10对应n个强度值,这种强度调整方法能够更加精准地设定干扰信号的能量,满足系统要求的信噪比,以最小的噪声干扰获取最佳的防窃听效果。
如图2所示,给出了本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的布设及工作原理图,所有的MIC1、终端10和声源S的麦克风处于同一平面内,MIC的数量为4个,分别用Mic1、Mic2、Mic3和Mic4来表示,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4依次等间距地设置于同一条直线上,相邻MIC之间的距离为d;以Mic2为原点、Mic1至Mic4所在的直线为X轴,在MIC和终端所在的平面内建立平面直角坐标系XY。
如图3所示,给出了本发明的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法的流程图,其通过以下步骤来实现:
a).建立距离与时延的关系,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的坐标分别为(-d,0)、(0,0)、(d,0)和(2d,0),设声源S的坐标为S(x0,y0),终端ti的坐标为(xi,yi),i≤n,n为终端的个数;r1、r2、r3、r4分别为声源到Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的连线距离,则可得到如公式(1)所示的距离与时延的关系式:
其中,c声音在空气中的传播速度,τ21为Mic2与Mic1的时延差,τ23为Mic2与Mic3的时延差,τ24为Mic2与Mic4的时延差;
估计Mic1、Mic3、Mic4接受到的语音信号与Mic2接收到的信号的时延差τ21、τ23和τ24,由两步来实现:(1)两路信号相对延时点数n21、n23和n24估计;(2)Mic2与Mic1、Mic3、Mic4延时差值τ21、τ23和τ24估计。首先利用互功率谱相位时延估计算法,计算出出延时点数n21、n23和n24;然后将延时点数n21、n23和n24分别除以采样率fs,即得到延时差值τ21、τ23和τ24。
b).求声源到Mic1、Mic3和Mic4的距离,r2与X轴的夹角用θ表示,声源S、Mic1和Mic2组成的三角形为Δs12,声源S、Mic2和Mic3组成的三角形为Δs23,声源S、Mic2和Mic4组成的三角形为Δs24;在三角形Δs12、Δs23和Δs24中由余弦定理可得:
由公式(2)得到声源到三个麦克风Mic1、Mic3和Mic4的距离:
c).等式变换,由公式(1)求得的r1、r3、r4的表达式带入公式(3)可得:
对公式(4)中的等式两边进行平方可得:
d).求声源到原点的距离和夹角的估计值,由等式(5)和等式(6)得到第一组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
由等式(5)和等式(7)得到第二组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
由等式(6)和等式(7)得到第三组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
e).求声源到原点的距离和夹角值,根据式(8)、(9)和(10)计算的估计值,对其求平均后作为声源的距离值和夹角值
f).求声源坐标,根据公式(11)即可计算出声源的坐标(x0,y0):
g).求声源与终端的距离,声源S(x0,y0)的坐标求出后,即可求出声源S(x0,y0)与终端ti(xi,yi)的距离rti:
式中,1≤i≤n;
h).求终端ti(xi,yi)处的声压强度值,根据声音衰减规律可知,在距离声源r2处和rti处的声压强度的衰减量计算公式如下:
终端ti(xi,yi)处的声压强度值Lpi通过公式(15)进行求取:
Lpi=Lp2-LpΔti (15)
Lp2为Mic2处的声压强度值,其通过Mic2进行获取;
i).确定干扰噪声的强度,根据公式(16)求取声掩蔽系统通过终端ti(xi,yi)输出的干扰噪声的强度Iti(xi,yi):
Iti(xi,yi)=Lpti-NSNR (16)
其中,NSNR为要求的防护信噪比;
j).干扰噪声输出,令i取1至n之间的正整数,并依次执行步骤g)至i),直至获取所有终端应输出的干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),由中央处理单元将干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn)通过相应的终端输出,以使声源具有良好的防窃听效果,同时减少掩蔽声的噪声污染。
步骤j)中,ARM处理器根据n个终端所需的干扰噪声强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),确定出发给n个幅度调整电路的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn;n个幅度调整电路根据接收到的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn,对n个终端所需的干扰噪声强度进行自适应调整,以输出与终端所在位置处声音能量相关的声掩蔽信号。
其中,系统初始化及设置,是指变量的设置和硬件的初始化。主要包括:变量初始化、A/D初始化、硬件接口初始化、定时器中断设置初始化以及对系统中各个终端位置坐标的定位和设置。四路Mic语音数据采集过程中,需要对四路Mic分别进行采样。根据设定的采样率fs,定时器定时触发中断。在定时器中断中,依次对四路Mic采集电路进行AD转换,并将转换后的数据存储对应的数组中。
本专利中应用到声掩蔽系统中的多麦克风定位算法采用是4个麦克风定位,但本专利的保护范围,并不局限于该种定位方法。该专利的保护内容包含:多麦克风声源定位的声掩蔽系统能量调整方法和将麦克风定位方法应用于声掩蔽系统思路。
Claims (7)
1.一种基于声源定位的声掩蔽系统,包括语音采集电路、中央处理单元、噪声发生模块(6)、运放电路(7)、幅度可调电路(8)、功放电路(9)和终端(10);语音采集电路由多路MIC组成,MIC用于采集讲话人语音,中央处理单元由ARM处理器及与其相连接的A/D转换器(3)和控制总线接口(5)组成;终端的数量为多个,其采用扬声器和/或振动转换器;其特征在于:所述MIC的输出依次经放大电路(2)、A/D转换器(3)的处理后输入至ARM处理器(4)中,噪声发生模块用于产生噪声干扰信号,噪声发生模块的输出经运放电路的放大处理后输入至幅度可调电路中,幅度可调电路的输出经功放电路的放大后驱使终端进行空气声和/或振动声的转换;ARM处理器经控制总线接口与幅度可调电路相连接,以调整输出的噪声干扰信号的幅度,使终端输出与自身位置相关的噪声干扰信号。
2.根据权利要求1所述的基于声源定位的声掩蔽系统,其特征在于:所有的MIC(1)和所有的终端(10)与声源的麦克风处于同一平面内。
3.根据权利要求1或2所述的基于声源定位的声掩蔽系统,其特征在于:所述MIC(1)的数量为4个,4个MIC等间距地布设于同一直线上;所述终端(10)的数量为n个,n≥2。
4.一种基于权利要求1所述的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,其特征在于,通过以下方法来实现:
首先将声掩蔽系统布设于涉密场所内,并保证所有的MIC(1)、所有的终端(10)和声源S的麦克风处于同一平面内,并确定出MIC和终端的位置坐标;然后根据MIC坐标、不同MIC接收到的语音信号的时延差计算出声源坐标S(x0,y0),再根据声源坐标S(x0,y0)计算出每个终端到声源的距离;最后,根据声音衰减规律计算出每个终端处的声压强度,再根据防护信噪比确定出每个终端应输出的干扰噪声的强度,并将计算出的干扰噪声的强度通过相应的终端输出,即可实现对声源的掩蔽,同时减少了掩蔽声的噪声污染。
5.根据权利要求4所述的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,其特征在于,MIC的数量为4个,分别用Mic1、Mic2、Mic3和Mic4来表示,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4依次等间距地设置于同一条直线上,相邻MIC之间的距离为d;以Mic2为原点、Mic1至Mic4所在的直线为X轴,在MIC和终端所在的平面内建立平面直角坐标系XY;基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法具体通过以下步骤来实现:
a).建立距离与时延的关系,Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的坐标分别为(-d,0)、(0,0)、(d,0)和(2d,0),设声源S的坐标为S(x0,y0),终端ti的坐标为(xi,yi),i≤n,n为终端的个数;r1、r2、r3、r4分别为声源到Mic1、Mic2、Mic3和Mic4的连线距离,则可得到如公式(1)所示的距离与时延的关系式:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mtr>
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<mtr>
<mtd>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,c声音在空气中的传播速度,τ21为Mic2与Mic1的时延差,τ23为Mic2与Mic3的时延差,τ24为Mic2与Mic4的时延差;
b).求声源到Mic1、Mic3和Mic4的距离,r2与X轴的夹角用θ表示,声源S、Mic1和Mic2组成的三角形为Δs12,声源S、Mic2和Mic3组成的三角形为Δs23,声源S、Mic2和Mic4组成的三角形为Δs24;在三角形Δs12、Δs23和Δs24中由余弦定理可得:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mrow>
<mn>4</mn>
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<mi>d</mi>
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</mfenced>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
由公式(2)得到声源到三个麦克风Mic1、Mic3和Mic4的距离:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>2</mn>
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</msup>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>d</mi>
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<mi>c</mi>
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</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mtd>
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<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<msubsup>
<mi>r</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
</msup>
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<mn>2</mn>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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</mrow>
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<mtr>
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<mrow>
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<mrow>
<msubsup>
<mi>r</mi>
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<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
</msup>
<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
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<mn>2</mn>
</msub>
<mi>d</mi>
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<mi>cos</mi>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
</msqrt>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
c).等式变换,由公式(1)求得的r1、r3、r4的表达式带入公式(3)可得:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mtr>
<mtd>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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<mn>2</mn>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mn>23</mn>
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<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msubsup>
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<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msup>
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</msup>
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<mn>2</mn>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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<mi>c</mi>
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<mi>s</mi>
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</mrow>
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</mtd>
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<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
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<mn>2</mn>
</msub>
<mi>d</mi>
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<mi>cos</mi>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
对公式(4)中的等式两边进行平方可得:
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>r</mi>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
</msubsup>
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</msup>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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</mrow>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mi>s</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
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</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mi>&theta;</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
d).求声源到原点的距离和夹角的估计值,由等式(5)和等式(6)得到第一组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<msub>
<mover>
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<mo>^</mo>
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</msub>
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</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>dc</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
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<mn>23</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>&tau;</mi>
<mn>21</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>R</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mn>1</mn>
</msub>
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<mfrac>
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<msup>
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</msup>
<mrow>
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<msubsup>
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</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
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<mn>23</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
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<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mn>23</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
由等式(5)和等式(7)得到第二组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>&theta;</mi>
<mo>^</mo>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
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<mn>24</mn>
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</msubsup>
<mo>-</mo>
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<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
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<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<mi>R</mi>
<mo>^</mo>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mn>6</mn>
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<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>2</mn>
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<mn>21</mn>
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<mi>&tau;</mi>
<mn>24</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
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</mfenced>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
由等式(6)和等式(7)得到第三组声源到原点的距离和夹角的估计值,记作和如下:
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>&theta;</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
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<msup>
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<msup>
<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mi>c</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msubsup>
<mi>&tau;</mi>
<mn>21</mn>
<mn>2</mn>
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<mn>24</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<mn>6</mn>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
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</mrow>
</mrow>
e).求声源到原点的距离和夹角值,根据式(8)、(9)和(10)计算的估计值,对其求平均后作为声源的距离值和夹角值
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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</mfenced>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>11</mn>
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</mrow>
f).求声源坐标,根据公式(11)即可计算出声源的坐标(x0,y0):
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
g).求声源与终端的距离,声源S(x0,y0)的坐标求出后,即可求出声源S(x0,y0)与终端ti(xi,yi)的距离rti:
<mrow>
<msub>
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<mrow>
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,1≤i≤n;
h).求终端ti(xi,yi)处的声压强度值,根据声音衰减规律可知,在距离声源r2处和rti处的声压强度的衰减量计算公式如下:
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>14</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
终端ti(xi,yi)处的声压强度值Lpi通过公式(15)进行求取:
Lpi=Lp2-LpΔti (15)
Lp2为Mic2处的声压强度值,其通过Mic2进行获取;
i).确定干扰噪声的强度,根据公式(16)求取声掩蔽系统通过终端ti(xi,yi)输出的干扰噪声的强度Iti(xi,yi):
Iti(xi,yi)=Lpti-NSNR (16)
其中,NSNR为要求的防护信噪比;
j).干扰噪声输出,令i取1至n之间的正整数,并依次执行步骤g)至i),直至获取所有终端应输出的干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),由中央处理单元将干扰噪声的强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn)通过相应的终端输出,以使声源具有良好的防窃听效果,同时减少掩蔽声的噪声污染。
6.根据权利要求5所述的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,其特征在于,步骤a)中Mic2与Mic1的时延差τ21、Mic2与Mic3的时延差τ23、Mic2与Mic4的时延差τ24的获取方法为:首先利用互功率谱相位时延估计算法,计算出Mic2与Mic1的延时点数n21、Mic2与Mic3的延时点数n23和Mic2与Mic4的延时点数n24;然后将延时点数n21、n23和n24分别除以采样率fs,即得到延时差值τ21、τ23和τ24。
7.根据权利要求5所述的基于声源定位的声掩蔽系统的自适应调整方法,其特征在于,步骤j)中,ARM处理器根据n个终端所需的干扰噪声强度It1(x1,y1)、It2(x2,y2)、…、Itn(xn,yn),确定出发给n个幅度调整电路的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn;n个幅度调整电路根据接收到的控制数据ConD1、ConD2、…和ConDn,对n个终端所需的干扰噪声强度进行自适应调整,以输出与终端所在位置处声音能量相关的声掩蔽信号。
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