CN108490384B - 一种小型空间声源方位探测装置及其方法 - Google Patents

一种小型空间声源方位探测装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小型空间声源方位探测装置，该装置包括线路板；固定设置在线路板上且呈中心对称分布的三个或者三个以上MEMS声电换能器，相邻MEMS声电换能器之间的距离不大于声源信号最短波长的二分之一；以及微控制单元，每一MEMS声电换能器均分别与微控制单元相电连接；微控制单元根据三个或者三个以上MEMS声电换能器采集的声音信号，获得空间声源的方位信息。本发明还提供了一种空间声源方位探测方法。本发明小型空间声源方位探测装置具有超小的空间尺寸，且能精确的探测声源的方位信息。

Description

一种小型空间声源方位探测装置及其方法
技术领域
本发明涉及语音信号处理技术领域，具体地，涉及一种小型空间声源方位探测装置及其方法。
背景技术
声学矢量传感器最早的实现来源于潜艇声呐应用，即矢量水听器(vectorhydrophone)，用于被动式探测敌舰所发出的声音，并准确侦测其方位和距离。矢量水听器的实现方式很多，早期最重要的实现方式为：将一个对振动敏感的振子悬浮在液体中，周围施加弹性约束，再外面是刚性保护壳并有多孔结构，保证水流可以自由进出。声音在液体中的传播是有方向的纵波，会引起前述悬浮振子的振动，振动的幅度即为声压，振动的方向即为声音的方向。前述悬浮振子振动的幅度和方向被振子周围的弹性约束结构转换为电信号，然后被电路放大并转换为电信号。后来出现了在空气中实现上面类似的结构，但是该种结构设计的外壳无法保证空气可自由振动，使得这种声学矢量传感器在空气中实施难度很大，不容易制造，没有成熟的MEMS声学矢量传感器实现方法，且难以小型化。
真正首次实现空气中的矢量传感器技术的是荷兰的Microflown技术公司，发明了所谓“微流传感器”的microflown sensor，microflown sensor是通过两根比较靠近且均加热至200摄氏度的铂金属丝设计而成，当空气经过两加热箔金属箔丝后会出现不同的温度变化，通过检测该温度变化而分析获得声源信息。这种MEMS声学矢量传感器具有如下缺点：制备工艺复杂，成本非常高；频响范围较低，只能到10kHz；两根铂金属丝距离非常近，其差分原理将大大增强低频信号，故低频较多的声音会形成强烈的“干扰”。此外，microflownsensor只能测量一维的矢量，要真正侦测声源方向需要多颗microflown sensor。但是其不能统一制造会增加成本，加之microflown sensor本身的工艺就复杂，良品率低，故造价十分高昂，一颗要上万欧元或十数万人民币，只能用在工业或军事领域。除此之外，因为该种microflown sensor结构复杂，不便小型化设计，限制了其推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供了一种小型空间声源方位探测装置，该装置具有超小的空间尺寸，且能精确的探测声源的方位信息。
为了达到上述目的，本发明提供一种小型空间声源方位探测装置，所述装置包括线路板；
固定设置在所述线路板上且呈中心对称分布的三个或者三个以上MEMS声电换能器，所述MEMS声电换能器用于将接收的声源信号转换为电信号，相邻所述MEMS声电换能器之间的距离不大于声源信号最短波长的二分之一；
以及微控制单元，每一所述MEMS声电换能器均分别与所述微控制单元相电连接；
所述微控制单元根据所述三个或者三个以上MEMS声电换能器采集的声音，获得空间声源的方位信息。
根据本发明的一个实施例，所述三个或者三个以上MEMS声电换能器均为相同的全向MEMS声电换能器，且呈中心对称分布在所述线路板上，相邻所述全向MEMS声电换能器之间的距离不大于声源信号最短波长的二分之一。
根据本发明的一个实施例，所述三个或者三个以上MEMS声电换能器为处在同一平面上的三个或者三个以上MEMS声电换能器，且所述三个或者三个以上MEMS声电换能器呈中心对称分布在所述线路板上。
根据本发明的一个实施例，所述三个或者三个以上MEMS声电换能器为处于不同平面上的四个或者四个以上MEMS声电换能器。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括具有电磁屏蔽作用的第一屏蔽上盖，所述第一屏蔽上盖与所述线路板构成第一电磁屏蔽区域；所述三个或者三个以上MEMS声电换能器和微控制单元处于所述第一电磁屏蔽区域内。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括具有电磁屏蔽作用且位于所述第一屏蔽上盖外围的第二屏蔽上盖，所述第二屏蔽上盖与所述线路板构成第二电磁屏蔽区域，所述第一电磁屏蔽区域处于所述第二电磁屏蔽区域内，所述第二屏蔽上盖的侧面设置有导线孔。
根据本发明的一个实施例，所述第一屏蔽上盖和/或第二屏蔽上盖与所述线路板上的接地线相导通。
根据本发明的一个实施例，所述线路板上与每一所述MEMS声电换能器贴合的部位均设置有开孔，且所述开孔与所述MEMS声电换能器的进音孔对准。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括设置在所述线路板开孔一侧的透声层，所述透声层固定设置在所述第二屏蔽上盖上。
根据本发明的一个实施例，所述透声层为防风棉或者防水透声膜。
根据本发明的一个实施例，所述透声层通过卡扣或者胶粘的方式固定在所述第二屏蔽上盖上。
本发明的另外一个目的还在于提供一种根据本发明小型空间声源方位探测装置的空间声源方位探测方法，所述方法包括以下步骤：
S1、从三个或者三个以上MEMS声电换能器中选定至少三个MEMS声电换能器作为MEMS声电换能器组合，并选定等相位点，根据有限差分原理构建包含至少两路差分信号和一路全向信号的声矢量信号；
S2、利用所述至少两路差分信号和一路全向信号求得至少两路传感器间数据比，得到空间声源方位的一次测量结果；
S3、重新选定所述MEMS声电换能器组合的等相位点，重复步骤S1和S2，从多个不同的等相位点对空间声源方位进行多次测量；
S4、对多次测量的结果进行加权平均，得到精确的空间声源方位探测结果。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中，根据有限差分原理优选构建两路差分信号和一路全向信号，两路差分信号在同一平面内，且其波束方向图呈一夹角L，所述夹角L范围为[30°，150°]。
根据本发明的一个实施例，所述夹角L为90°。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中，根据有限差分原理优选构建三路差分信号和一路全向信号，所述三路差分信号处于不同平面，且任意一路差分信号与另外两路差分信号所在平面的夹角不小于30°且不大于150°。
根据本发明的一个实施例，所述三路差分信号相互正交。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明小型空间声源方位探测装置利用多个MEMS声电换能器和专用处理芯片构建体积超小的传声装置，不仅可以采集声场的声压信息，同时可采集声场的方向性信息，从而探测声场中主要声源的方向；
(2)本发明小型空间声源方位探测装置采用最标准最成熟全向MEMS声电换能器搭建而成，无需额外设计新的MEMS声电换能器制备工艺，成本可以做到最低，满足消费电子的需求；
(3)本发明小型空间声源方位探测装置在超小的封装体积内且多个MEMS声电换能器如此接近的情况下，解决了差分信号在低频段的白噪声增益过大的问题；也解决了MEMS声电换能器之间的频响和相位不一致带来的差分估计误差问题。
附图说明
图1是本发明小型空间声源方位探测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例示意图；
图3是本发明实施例示意图；
图4(a)、(b)、(c)是本发明实施例示意图；
图5(a)、(b)、(c)、(d)是本发明实施例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示为本发明小型空间声源方位探测装置的结构示意图，该装置包括线路板10；固定设置在线路板10上且呈中心对称分布的三个或者三个以上MEMS声电换能器20，本发明实施例中，由于实际生产过程中三个或者三个以上MEMS声电换能器20并不能完全保证精确地呈中心对称分布，所以只要大致呈中心对称分布或者本领域的技术人员认为是中心对称分布均亦属于本发明的保护范围。MEMS声电换能器20用于将接收的声源信号转换为电信号，相邻MEMS声电换能器20之间的距离不大于声源信号最短波长的二分之一；以及包括微控制单元30，每一MEMS声电换能器20均分别与微控制单元30相电连接；本发明实施例中，每一MEMS声电换能器20可以是通过导线与微控制单元30相连接，也可以是通过线路板10与微控制单元30相连接，当然也可以是其他的电性连接方式。微控制单元30根据三个或者三个以上MEMS声电换能器20采集的声音信号，通过有限差分原理的方法获得空间声源的方位信息。本发明实施例中，MEMS声电换能器20采用全向MEMS声电换能器，且本发明探测装置内的所有MEMS声电换能器20均采用相同的现有最标准最成熟的MEMS声电换能器，当然也可以采用其他的小型或者微型全向MEMS声电换能器。通常由于外界声场的声源信号可能有多种，不同的声源信号其频率和波长不一样，为了尽可能采集到声场中的所有声源信号，本发明实施例中，相邻MEMS声电换能器20之间的距离不能大于所有声源中波长最小的声源的波长的二分之一，通常相邻MEMS声电换能器20之间的距离指的是二者进音孔之间的距离。
本发明实施例中，微控制单元30和所有MEMS声电换能器20均通过线路板10上的焊接点固定连接，为了更好实现超小空间，本发明实施例中优选将微控制单元30固定焊接在多个MEMS声电换能器30的中心对称点上，当然也可以安装在便于小型化的线路板10其他位置上，微控制单元30通常采用专用处理芯片(ASIC芯片)。
本发明空间声源方位探测装置采用处于同一平面上的三个或者三个以上MEMS声电换能器20，此时线路板10为常规的平面电路板。如图2所示，采用MEMS声电换能器211、MEMS声电换能器212、MEMS声电换能器213以及MEMS声电换能器214四个MEMS传感器，且四者为中心对称分布，即上述四个MEMS传感器的进音孔相连线而组成正方形，该正方形的边长不能大于所有声源中波长最小的声源的波长的二分之一，而MEMS声电换能器211、MEMS声电换能器212、MEMS声电换能器213以及MEMS声电换能器214的中心位置处安装有微控制单元30。同样地，如图3所示，采用MEMS声电换能器221、MEMS声电换能器222和MEMS声电换能器223三个MEMS传感器，且三者也为中心对称分布，即上述三个MEMS传感器的进音孔相连线而组成等边三角形，且该三角形的边长不能大于所有声源中波长最小的声源的波长的二分之一，另外MEMS声电换能器221、MEMS声电换能器222、MEMS声电换能器223的中心位置处也安装有微控制单元30。
本发明装置的另外一个实施例是三个或者三个以上MEMS声电换能器20处于不同平面上，当然，如果是多个MEMS声电换能器20处于不同平面上的时候，必须至少需要四个或者四个以上MEMS声电换能器20才能实现。处于不同平面上的四个或者四个以上MEMS声电换能器20也是为中心对称分布的。比如，采用处于正四面体四个角上的四个MEMS声电换能器20，当然也可以是其他正多面体结构设计，位于正多面体的每个角上均有相同的全向MEMS声电换能器20，而此时的线路板需要设计成便于所有多个MEMS声电换能器20固定安装，可以不是平面电路板。
本发明实施例中，空间声源方位探测装置还包括具有电磁屏蔽作用的第一屏蔽上盖40，且该第一屏蔽上盖40与线路板10构成第一电磁屏蔽区域，所有的MEMS声电换能器20、微控制单元30以及设置在线路板10上的其他电子元器件都固定安装在第一电磁屏蔽区域内，屏蔽外界的电磁辐射干扰。本发明实施例中，第一屏蔽上盖40采用圆形、方形或者其他小型化形状的金属材质制作而成，也可以是表面镀金属材料制作而成。为了让第一屏蔽上盖40不容易被氧化，也可以是表面镀金属氧化层。
本发明实施例中，为了本发明装置跟外界设备连接，该探测装置设置有引出导线，此时，本发明声源方位探测装置还包括跟第一屏蔽上盖40具有相同形状和材质且设置在第一屏蔽上盖40外围的第二屏蔽上盖50，且第二屏蔽上盖50的侧面设置有用于引出导线的导线孔K1。为了更好的增强第一屏蔽上盖40和第二屏蔽上盖50的屏蔽效果，第一屏蔽上盖40和第二屏蔽上盖50同时或者其中任意一个与线路板10上的接地线相导通。
本发明实施例中，线路板10上与各个MEMS声电换能器20贴合的部位均设置有开孔K2，这些开孔K2与各MEMS声电换能器20的进音孔对准，外部的声音可以通过线路板开孔K2与MEMS声电换能器20的进音孔构成的前腔进入到MEMS声电换能器20内部转变为电信号。为了避免灰尘和液体进入开孔K2而影响声音信号采集，在线路板10的开孔一侧设置有透声层60，如图1所示，透声层60具有防水和防尘功能，且具有很好的声音透入效果。透声层60通常采用防风棉制作而成或者为防水透声膜，固定安装在第二屏蔽盖上50，可以是卡扣或者胶粘的方式固定安装在第二屏蔽盖上50，当然其他的固定方式也可以，只要不易脱落即可。
为了更好地解决空间声源方位探测，基于本发明的小型空间声源方位探测装置，本发明还提供了一种空间声源方位探测方法，该方法包括以下步骤：
S1、从三个或者三个以上MEMS声电换能器中选定至少三个MEMS声电换能器作为MEMS声电换能器组合，并选定等相位点，根据有限差分原理构建包含至少两路差分信号和一路全向信号的声矢量信号，该等相位点是指所生成的声矢量信号的各路子信号均与该空间点的声音信号同相。在本发明实施例中，优选使用一阶差分麦克风获取差分信号，优选使用一阶偶极子差分信号，且其波束方向图呈“8”字形；
S2、利用至少两路差分信号和一路全向信号求得至少两路传感器间数据比，得到空间声源方位的一次测量结果；
S3、重新选定所述MEMS声电换能器组合的等相位点，重复步骤S1和S2，从多个不同的等相位点对空间声源方位进行多次测量；
S4、对多次测量的结果进行加权平均，得到精确的空间声源方位探测结果。
MEMS声电换能器组合是指从具体实施本发明装置时所用所有MEMS声电换能器中选取至少三颗构成子集，如果是三个全向MEMS声电换能器则只能有一种MEMS声电换能器组合，如果是四个或者更多全向MEMS声电换能器，根据排列组合的规则，则有四种或者更多种MEMS声电换能器组合。
下面以选用两路差分信号和一路全向信号构成声矢量信号，可探测二维空间声场内声源的方位为例子，即采用处于同一平面上的三个或者三个以上MEMS声电换能器，两路差分信号在同一个平面中，信号相位相同，波束方向图呈一定夹角，该夹角范围在[30°，150°]内时可对声源的二维方位进行有效探测；而夹角取90°时最佳，可在其他条件相同时取得最高的方位角探测精度。本发明实施例中，上述“传感器间数据比”的定义和计算方式如下，令声矢量信号中全向信号为o(t)＝s(t)，在两路差分信号所在平面上指定任一方向为0°方向后，两路差分信号与0°方向的夹角已知分别为θs1、θs2，则两路差分信号可分别表示为u(t)＝s(t)cos(θ-θs1)、v(t)＝s(t)cos(θ-θs2)。o(t)、u(t)、v(t)的离散傅里叶变换为O(ω)、U(ω)、V(ω)，则两路含有声源方位信息的传感器间数据比ISDR定义为：
由于θs1和θs2均为已知夹角，且当θs1和θs2之间的夹角L处于[30°，150°]范围内时，通过联合求解式(1)和式(2)的反三角函数，即可唯一确定声源的方位角度的估计值θi。
例如，当θs1＝90°，θs2＝120°，此时，θs1和θs2之间的夹角为30°；当θs1＝10°，θs2＝160°，此时，θs1和θs2之间的夹角为150°；也均可以通过上面公式获得唯一确定声源的方位角度的估计值θi。但是，当θs1和θs2之间的夹角为90°时探测的声源方位效果最佳，即取最优实例两个差分信号正交时，式(1)和式(2)可改写为：
通过联合求解式(3)和式(4)的反三角函数，即可唯一确定声源的方位角度的估计值θi。
在前面步骤S3中，因每次选定的MEMS声电换能器组合和等相位点不同，其对声源方位角度的估计值也不同。将各次测量的声源方位角估计值记为θi，i＝1、2、……、M，则最终对声源方位角的估计为：
其中wi为各次测量的权值，为方便起见，可以取wi＝1。
本发明实施例中，采用同一平面上的三颗MEMS声电转换器，可生成3组声矢量信号，对声源的方位进行三次测量，如图4(a)所示(隐去ASIC芯片，仅保留MEMS声电转换器的空间位置关系)是以最右侧的声电转换器为等相位点的波束方向图；如图4(b)所示是以上侧的声电转换器为等相位点的波束方向图；如图4(c)所示是以下侧的声电转换器为等相位点的波束方向图。同样地，在采用平面四颗MEMS声电转换器的实施例中，可生成四组声矢量信号，对声源的方位进行四次测量，如图5(a)所示(同样隐去ASIC芯片，仅保留MEMS声电转换器的空间位置关系)是以最右侧的声电转换器为等相位点的波束方向图；如图5(b)所示是以最上侧的声电转换器为等相位点的波束方向图；如图5(c)所示是以最左侧的声电转换器为等相位点的波束方向图；如图5(d)所示是以最下侧的声电转换器为等相位点的波束方向图。
本发明实施例中，根据上述二维平面实施原理，本领域的技术人员也可以根据本发明内容，使用两路以上且不在同一平面上的差分信号，探测声源的三维方向信息，即同时探测声源的方位角与俯仰角。当有两路以上的差分信号可用时，例如三路，只要三路差分信号处于不同平面，即可同时探测声源的方位角和俯仰角，且任意一路差分信号与另外两路差分信号所在平面的夹角应大于等于30°且不大于150°；而当三路差分信号互相正交时系统性能最佳，可在其他条件相同时取得最高的方位角探测精度，因其方位探测原理跟二维平面时的方位探测原理相似，在此不再赘述。
综上所述，本发明小型空间声源方位探测装置利用多个MEMS声电换能器和专用处理芯片构建体积超小的传声装置，不仅可以采集声场的声压信息，同时可采集声场的方向性信息，从而探测声场中主要声源的方向；同时解决了差分信号在低频段的白噪声增益过大的问题；也解决了MEMS声电换能器之间的频响和相位不一致带来的差分估计误差问题。另外，本发明小型空间声源方位探测装置采用最标准最成熟全向MEMS声电换能器搭建而成，无需额外设计新的MEMS传声器制备工艺，成本可以做到最低，满足消费电子的需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间声源方位探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、从三个或者三个以上MEMS声电换能器中选定至少三个MEMS声电换能器作为MEMS声电换能器组合，并选定等相位点，根据有限差分原理构建包含至少两路差分信号和一路全向信号的声矢量信号；
S2、利用所述至少两路差分信号和一路全向信号求得至少两路传感器间数据比，得到空间声源方位的一次测量结果；
S3、重新选定所述MEMS声电换能器组合的等相位点，重复步骤S1和S2，从多个不同的等相位点对空间声源方位进行多次测量；
S4、对多次测量的结果进行加权平均，得到精确的空间声源方位探测结果。
2.根据权利要求1所述的空间声源方位探测方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据有限差分原理构建两路差分信号和一路全向信号，两路差分信号在同一平面内，且其波束方向图呈一夹角L，所述夹角L范围为[30°，150°]。
3.根据权利要求2所述的空间声源方位探测方法，其特征在于，所述夹角L为90°。
4.根据权利要求1所述的空间声源方位探测方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据有限差分原理构建三路差分信号和一路全向信号，所述三路差分信号处于不同平面，且任意一路差分信号与另外两路差分信号所在平面的夹角均不小于30°且不大于150°。
5.根据权利要求4所述的空间声源方位探测方法，其特征在于，所述三路差分信号相互正交。
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