CN108983149B - 一种旋转麦克风声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多旋转麦克风阵列声源定位方法，该方法将多个麦克风布置于可调速稳定旋转阵列架上，获得具有多普勒效应的声音测量信号，同时利用激光装置实时标定麦克风旋转坐标，将一个麦克风安装在静止装置上，获得声音测量信号，通过频谱分析静止麦克风测量信号，获得声源信号的主要频率值，在待测声源空间建立扫描面，通过分析建立对应的延时、幅值变化对应关系，并获得对应扫描点的时域信号，进行频谱分析得到频率值对应得到各个扫描点在该频率下的信号幅值，最终获得扫描面内各个主要频率对应下的声源定位图；本发明可以通过少量麦克风准确获得高动态范围、高分辨率声源定位信息，提高工程应用效果。

Description

一种旋转麦克风声源定位方法

技术领域

本发明涉及声学领域，尤其是涉及一种旋转麦克风声源定位的方法。

背景技术

从20世纪70年代开始，麦克风阵列开始应用于声源定位，并从最初的线性阵列、环形阵列发展到复杂二维及三维阵列。一般情况下，麦克风数目越多，声源定位精度越高。

在工程应用上，对于麦克风性能要求较高，采用大量高性能麦克风组成的静止麦克风阵列虽然能够较好的定位声源，但是相应的成本也大大提高，不利于在实际场景中推广。

对于普通消费领域，随着近年来人工智能技术的快速发展，声源定位技术在基于语音信号人机交互的智能设备中愈加重要，麦克风数目直接影响到智能设备的成本。较多的麦克风数目不利于产品成本的降低。

发明专利(2014102675228)公开了一种基于自适应旋转对准的室内语音采集方法与装置，发明专利(2016103040955)公开了通过双麦克风阵列和扬声器配合的方案的声源定位系统和方法，发明专利(2016110469537)公开了利用麦克风获取语音信号的声源定位方法、装置及系统，发明专利(201620716980X)公开了利用分布式麦克风阵列进行声源定位系统。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种声源定位方法，保证一定的声源定位精准度的同时，大大减少麦克风需求数目，旨在解决现有声源定位中由于麦克风数目需求较多导致的成本较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转麦克风声源定位方法，包括以下步骤:

步骤一：在声场中，布置一个静止麦克风及若干个旋转的麦克风，使用数据采集器同步采集获得静止麦克风测量信号、旋转中的麦克风测量信号及旋转麦克风的实时坐标信息；

步骤二：通过对静止麦克风的测量信号进行频谱分析，获得声源信号的主要频率信息；

步骤三：在待定位空间建立扫描面及扫描点，根据旋转麦克风的测量信号、旋转麦克风的实时坐标、扫描点坐标，计算扫描点时域重构信号；

步骤四：通过扫描点时域信号进行频谱分析，获得扫描点频域重构信号；

步骤五：由声源信号的主要频率信息，分析得到空间扫描面内在声源主要频率下的声源分布结果。

在上述技术方案中，所述若干个旋转的麦克风呈中心对称设置在旋转阵列架上，径向上的麦克风的旋转半径依次具有等差倍数关系。

在上述技术方案中，旋转麦克风的实时坐标通过一组激光信号发射接收器标定，激光信号发射器和激光信号接收器各自设置在旋转麦克风的对立两侧，由旋转麦克风旋转到激光信号发射器与激光信号接收器之间触发数据采集器采集当前麦克风的位置。

在上述技术方案中，在步骤三中将扫描点坐标作为虚拟声源，利用旋转麦克风测量信号反算扫描点信号，可以得到扫描点时域重构信号，同理可求得不同旋转麦克风对应于同一扫描点的时域重构信号，将所有旋转麦克风对应于同一扫描点时域信号求和取平均，得到整个旋转麦克风阵列对于该扫描点的时域重构信号。

在上述技术方案中，在声源所在空间附近建立扫描面，扫描面处于Z＝H平面内，H为麦克风旋转平面到扫描面之间的距离，在扫描面内建立扫描点对声音信号进行重构，对应扫描点坐标为

其中r为点(0，0，H)与扫描点

之间距离，

为点(0，0，H)到扫描点

连线与X轴正方向夹角。

在上述技术方案中，对静止麦克风测量信号进行傅里叶频谱分析，得到声源信号的主要频率f，旋转麦克风在Z＝0平面内进行旋转，旋转半径为r_m，旋转角速度为ω_m，初始旋转角度为

其中下标m为麦克风代号，使用t表示时间，旋转麦克风随时间t运动空间坐标表示为：

在上述技术方案中，旋转麦克风在t时刻接收信号为

对应扫描点

在τ时刻重构出的声音时域信号为：

其中π为圆周率，ΔL_τ为扫描点

在τ发出声音信号在t时刻到达旋转旋转麦克风

延迟时间。

当满足条件：

时，

对扫描点

重构出的声音时域信号进行傅里叶频谱分析，得到扫描点

在频率f对应的信号幅值：

其中i为虚数单位，exp为自然指数函数基，θ为积分函数变量，当且仅当

扫描点与声源点重合时，所得到的频率f对应的信号幅值

取得最大值，频率为f的声源点被准确识别出来。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明可在保证一定声源定位精度的情况下，采用一个静止麦克风和一个旋转麦克风，实现对包含多个频率、多个声源、变频率等复杂声场进行实时准确定位。

本发明可以根据高分辨率、高动态范围的声源定位精度要求下，添加少量旋转麦克风，实现对复杂声源的实时高精度定位。

本发明与现有声源定位技术相比，提供了一种全新的声源定位装置。现有的声源定位装置采用静止麦克风阵列，声源定位精度差，麦克风需求数目量大。本发明采用旋转麦克风阵列声源定位装置可以在大大减少麦克风使用数目的同时，准确定位声源位置。降低了声源定位装置的成本且提高了声源定位的精确度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是多旋转麦克风声源识别方法示意图；

图2是扫描面位置示意图；

其中：1是扫描面，2是声源所在平面，3是麦克风旋转平面。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，本发明要解决的技术问题在于，提供一种声源定位方法，本发明可在保证较高的声源定位精准度的同时，大大减少麦克风需求数目，旨在解决现有声源定位中由于麦克风数目需求较多导致的成本较高的问题。

旋转麦克风呈轴对称安装于旋转阵列架，麦克风距离旋转中心的距离分别为三种或多种旋转半径，设最内侧麦克风旋转半径为r₀，则外侧麦克半径依次为2r₀、3r₀，旋转阵列架利用可调速电机驱动旋转。电机可在一定转速范围内连续调速，调速后，转速在较短时间内达到设定转速，且电机转速稳定。旋转麦克风的信号采集由数据采集器通过激光触发装置触发采集信号，在阵列架旋转到特定角度时触发激光信号，实现对麦克风信号的触发采集。并通过激光装置实时记录阵列架再次旋转到达该角度时刻，将对应时间信息传输至数据采集设备。静止麦克风固定于静止装置。静止麦克风的信号采集通过数据采集器控制，与旋转麦克风数据采集同步。

A、利用阵列旋转速度、麦克风旋转半径及激光信号标定的阵列旋转到特定角度的时刻可以确定旋转麦克风的实时坐标。

B、对需测量定位声源空间建立扫描面，并得到扫描面上各个扫描点对应的坐标值。

C、根据旋转麦克风实时坐标及扫描点坐标，可以建立旋转麦克风到扫描点之间的实时一一对应关系。

D、根据旋转麦克风与扫描点的实时一一对应关系，将扫描点作为虚拟声源，利用旋转麦克风测量信号反算扫描点信号，可以得到扫描点时域重构信号，同理可求得不同旋转麦克风对应于同一扫描点的时域重构信号，将所有旋转麦克风对应于同一扫描点时域信号求和取平均，得到整个旋转麦克风阵列对于该扫描点的时域重构信号。

E、根据静止麦克风测量信号，对其进行频谱分析，可以获得声源信号的主要频率值，将扫描点重构的时域信号进行频谱分析，得到扫描点频域重构信号。

F、扫描点位于声源信号主要频率值所对应的频域重构幅值即为该扫描点在该频率下的声源信号重构结果，依次将扫描点在该频率下的声源重构结果计算出来，即可得到扫描面内在该频率下的声源定位图。

G、将各个扫描点主要频率信号的总能量值分别进行叠加，即可得到扫描面内主要频率总能量的声源定位图。

如图2所示，对旋转麦克风信号分析具体分析过程如下：

设旋转麦克风旋转半径为r_m，旋转角速度为ω_m。旋转麦克风随时间运动坐标为

声源坐标为

在声源所在空间附近建立扫描面，对声音信号进行重构，对应扫描点坐标为

声源信号为：

其中

为声源信号的角频率，p₀为声源信号幅值。

声源在τ_e时刻发出的信号在t时刻到达旋转麦克风，则旋转麦克风接收信号为：

其中：

t＝τ_e+ΔL/c

在扫描点

重构出的声音信号为：

其中：

t＝τ+ΔL_τ/c

从而可以得到：

令t＝g(τ)，对上式进行傅里叶变换可得幅频信息：

当满足如下条件时，

经过量级分析可知，当信号分析频率为

时，在扫描点

处得到的对应频率信号幅值为：

因此当且仅当

扫描点与声源点重合时，所得到的

取得最大值，声源点被准确识别出来。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤一：在声场中，布置一个静止麦克风及若干个旋转的麦克风，使用数据采集器同步采集获得静止麦克风测量信号、旋转中的麦克风测量信号及旋转麦克风的实时坐标信息；

步骤二：通过对静止麦克风的测量信号进行频谱分析，获得声源信号的主要频率信息；

步骤三：在待定位空间建立扫描面及扫描点，根据旋转麦克风实时坐标及扫描点坐标，可以建立旋转麦克风到扫描点之间的实时一一对应关系，根据旋转麦克风与扫描点的实时一一对应关系，将扫描点作为虚拟声源，利用旋转麦克风测量信号反算扫描点信号，得到扫描点时域重构信号，同理得到不同旋转麦克风对应于同一扫描点的时域重构信号，将所有旋转麦克风对应于同一扫描点时域信号求和取平均，得到整个旋转麦克风阵列对于该扫描点的时域重构信号；

步骤四：通过扫描点时域信号进行频谱分析，获得扫描点频域重构信号；

步骤五：由声源信号的主要频率信息，分析得到空间扫描面内在声源主要频率下的声源分布结果。

2.根据权利要求1所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于所述若干个旋转的麦克风呈中心对称设置在旋转阵列架上，径向上的麦克风的旋转半径依次具有等差倍数关系。

3.根据权利要求2所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于旋转麦克风的实时坐标通过一组激光信号发射接收器标定，激光信号发射器和激光信号接收器各自设置在旋转麦克风的对立两侧，由旋转麦克风旋转到激光信号发射器与激光信号接收器之间触发数据采集器采集当前麦克风的位置。

4.根据权利要求1所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于在声源所在空间附近建立扫描面，扫描面处于Z＝H平面内，H为麦克风旋转平面到扫描面之间的距离，在扫描面内建立扫描点对声音信号进行重构，对应扫描点坐标为

其中r为点(0，0，H)与扫描点

之间距离，

为点(0，0，H)到扫描点

连线与X轴正方向夹角。

5.根据权利要求4所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于对静止麦克风测量信号进行傅里叶频谱分析，得到声源信号的主要频率f，旋转麦克风在Z＝0平面内进行旋转，旋转半径为r_m，旋转角速度为ω_m，初始旋转角度为

其中下标m为麦克风代号，使用t表示时间，旋转麦克风随时间t运动空间坐标表示为：

6.根据权利要求5所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于旋转麦克风在t时刻接收信号为

其中下标m为麦克风代号，对应扫描点

在τ时刻重构出的声音时域信号为：

其中π为圆周率，△L_τ为扫描点

在τ发出声音信号在t时刻到达旋转麦克风

延迟时间，t＝τ+△L_τ/c，

7.根据权利要求6所述的一种旋转麦克风声源定位方法，其特征在于当满足条件：

时，

对扫描点

重构出的声音时域信号进行傅里叶频谱分析，得到扫描点

在频率f对应的信号幅值：

其中i为虚数单位，exp为自然指数函数基，θ为积分函数变量，当且仅当

扫描点与声源点重合时，所得到的频率f对应的信号幅值

取得最大值，频率为f的声源点被准确识别出来。

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