CN109425847B - 包括多谐振器阵列的声音方向检测传感器 - Google Patents

包括多谐振器阵列的声音方向检测传感器 Download PDF

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Abstract

提供了一种声音方向检测传感器，其能够通过使用多谐振器阵列检测声音源自的方向。所公开的声音方向检测传感器包括两个谐振器阵列，这两个谐振器阵列中的每个均包括具有不同谐振频率的多个谐振器。这两个谐振器阵列具有不同的方向性。每个谐振器阵列用作音频传感器，并且声音方向检测传感器检测声音入射的方向，而不管音频传感器之间的距离如何。

Description

包括多谐振器阵列的声音方向检测传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0111921号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
与示例性实施例一致的装置涉及一种声音方向检测传感器，更具体地涉及能够通过使用多谐振器阵列检测声音源自的方向的声音方向检测传感器。
背景技术
存在对安装在家用电器、图像显示设备、虚拟现实设备、增强现实设备、智能扬声器等中用于检测声音源自的方向并识别语音的传感器不断增加的使用。这样的传感器通常通过使用到达多个全向声学传感器的声音的时间差来计算声音源自的方向。当使用多个全向声学传感器时，它们需要彼此分开足够的距离以检测时间差。声音方向检测传感器的角分辨率由此通过多个全向声学传感器之间的距离和采样频率来限定，并且会随着距离和采样频率增加而减小。
发明内容
根据一个示例性实施例的一个方面，一种声音方向检测传感器包括：第一谐振器阵列，包括具有不同谐振频率的多个谐振器；以及第二谐振器阵列，包括具有不同谐振频率的多个谐振器。第一谐振器阵列和第二谐振器阵列可以具有不同的方向性。
第一谐振器阵列和第二谐振器阵列可以具有相同的频率响应特性。
例如，第一谐振器阵列的多个谐振器的谐振频率和第二谐振器阵列的多个谐振器的谐振频率可以处于可听频带内。
例如，第一谐振器阵列和第二谐振器阵列可以被安置使得在第一谐振器阵列的方向性与第二谐振器阵列的方向性之间存在90度的差异。
声音方向检测传感器还可以包括计算器，该计算器被配置为基于第一谐振器阵列的输出和第二谐振器阵列的输出来计算声音的方向。
计算器还可以被配置为通过将由第一谐振器阵列获得的第一输出与由第二谐振器阵列获得的第二输出进行比较来检测声音的方向。
计算器还可以被配置为通过在时域中计算第一谐振器阵列的多个谐振器的均方根的平均值和第二谐振器阵列的多个谐振器的均方根的平均值来获得第一输出和第二输出。
计算器还可以被配置为通过将由选自第一谐振器阵列的多个谐振器之中的至少一个谐振器获得的输出与由选自第二谐振器阵列的多个谐振器之中的至少一个谐振器获得的输出进行比较来检测声音的方向。
计算器还可以被配置为通过将从由第一谐振器阵列的多个谐振器中的至少一个谐振器获得的输出导出的时域数据或频域数据与从由第二谐振器阵列的多个谐振器中的至少一个谐振器获得的输出导出的时域数据或频域数据进行比较来检测声音的方向。
声音方向检测传感器还可以包括：相对于彼此倾斜的第一基板和第二基板；第一声音入口，包括穿过第一基板的开口；以及第二声音入口，包括穿过第二基板的开口。
第一谐振器阵列可以被固定在第一基板上并面对第一声音入口，第二谐振器阵列可以被固定在第二基板上并面对第二声音入口，并且第一谐振器阵列和第二谐振器阵列可以被安置在不同的方向上。
第一谐振器阵列的多个谐振器中的每一个可以包括固定在第一基板上的固定部分、配置为响应于音频信号而移动的可移动部分、以及配置为感测可移动部分的移动的感测部分，并且第二谐振器阵列的多个谐振器中的每一个可以包括固定在第二基板上的固定部分、配置为响应于音频信号而移动的可移动部分、以及配置为感测可移动部分的移动的感测部分。
第一谐振器阵列的多个谐振器的可移动部分可以被安置为通过第一声音入口暴露于入射声音，并且第二谐振器阵列的多个谐振器的可移动部分可以被安置为通过第二声音入口暴露于入射声音。
第一谐振器阵列的多个谐振器的固定部分可以被安置为沿着第一声音入口的一侧以不彼此重叠，并且第二谐振器阵列的多个谐振器的固定部分可以被安置为沿着第二声音入口的一侧以不彼此重叠。
第一基板的一侧与第二基板的一侧可以彼此连接并且彼此接触，并且第一基板与第二基板之间的角可以为90度。
声音方向检测传感器还可以包括：第三基板，包括第三声音入口；第四基板，包括第四声音入口；第三谐振器阵列，被固定在第三基板上并面对第三声音入口；以及第四谐振器阵列，被固定在第四基板上并面对第四声音入口，其中第一基板、第二基板、第三基板和第四基板被布置为形成方形，以及第一谐振器阵列、第二谐振器阵列、第三谐振器阵列和第四谐振器阵列被安置在不同的方向上。
声音方向检测传感器还可以包括：第三基板，包括第三声音入口；第四基板，包括第四声音入口；第五基板，包括第五声音入口；第六基板，包括第六声音入口；第三谐振器阵列，被固定在第三基板上并面对第三声音入口；第四谐振器阵列，被固定在第四基板上并面对第四声音入口；第五谐振器阵列，被固定在第五基板上并面对第五声音入口；以及第六谐振器阵列，被固定在第六基板上并面对第六声音入口，其中第一基板、第二基板、第三基板、第四基板、第五基板和第六基板被布置为形成六面体，以及第一谐振器阵列、第二谐振器阵列、第三谐振器阵列、第四谐振器阵列、第五谐振器阵列和第六谐振器阵列被安置在不同的方向上。
根据另一示例性实施例的一个方面，一种声音方向检测传感器包括：第一基板；分别包括穿过第一基板和第二基板的第一开口和第二开口的第一声音入口和第二声音入口，该第二基板被安置为面对第一基板并与第一基板间隔开；包括穿过第二基板的声音出口；第一谐振器，被固定在第一基板上并面对第一声音入口；以及第二谐振器，被固定在第一基板上并面对第二声音入口。
声音方向检测传感器还可以包括间隔件，该间隔件被安置在第一基板的边缘与第二基板的边缘之间以保持第一基板与第二基板之间的间隔。
第一声音入口和第二声音入口可以彼此间隔开，第一声音入口和声音出口可以形成第一方向上的声路，并且第二声音入口和声音出口可以形成不同于第一方向的第二方向上的声路。
第一谐振器和第二谐振器可以彼此基本平行。
第一谐振器可以包括具有不同谐振频率的多个谐振器，并且第二谐振器可以包括具有不同谐振频率的多个谐振器。
第一谐振器的多个谐振器以及第二谐振器的多个谐振器中的每个谐振器可以包括：固定在第一基板上的固定部分；配置为响应于音频信号而移动的可移动部分；以及配置为感测可移动部分的移动的感测部分。
第一谐振器的多个谐振器的可移动部分可以被安置为通过第一声音入口暴露于入射声音，并且第二谐振器的多个谐振器的可移动部分可以被安置为通过第二声音入口暴露于入射声音。
第一谐振器的多个谐振器的固定部分可以被安置为沿着第一声音入口的一侧以不彼此重叠，并且第二谐振器的多个谐振器的固定部分可以被安置为沿着第二声音入口的一侧以不彼此重叠。
附图说明
从以下结合附图对示例性实施例的描述中，这些和/或其他示例性方面和优点将变得清楚和更容易理解，在附图中：
图1是示出根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意平面视图；
图2是图1所示的声音方向检测传感器的示意性横截面视图；
图3A、图3B和图3C是根据各种示例性实施例的声音方向检测传感器的示意性后视图；
图4是图1所示的声音方向检测传感器的一个谐振器的结构的示意性横截面视图；
图5是示出图1所示的声音方向检测传感器的工作原理的示意性横截面视图；
图6和图7示出了图1所示的声音方向检测传感器的每个谐振器阵列的方向性；
图8是示出测量图1所示的声音方向检测传感器的两个谐振器阵列的方向性特性的结果的示图；
图9是根据示例性实施例的基于两个谐振器阵列的输出来计算声音的方向的计算器的框图；
图10是根据示例性实施例的通过使用由两个谐振阵列测量的声音来计算声音源自的方向的过程的流程图；
图11是示出根据示例性实施例的测量的声音方向与实际声音方向之间的比较的示图；
图12示出根据示例性实施例的在嘈杂的环境中在频域中对第一谐振器阵列的输出进行平均；
图13示出根据示例性实施例的在嘈杂的环境中在频域中对第二谐振器阵列的输出进行平均；
图14是示出根据另一示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意性透视图；
图15是示出图14所示的声音方向检测传感器的工作原理的示意性横截面视图；
图16是示出测量图14所示的声音方向检测传感器的每个谐振器阵列的方向性特性的结果的示图；以及
图17、图18和图19是示出根据其他示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意性透视图。
具体实施方式
现在将详细提及在附图中示出的示例性实施例，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。就这一点而言，本示例性实施例可以具有不同的形式，并且不应当被解释为限于在此阐述的描述。因此，下面仅通过参考附图来描述示例性实施例以解释各方面。诸如“…中的至少一个”的表述当在元素列表之后时修饰整个元素列表，而不是修饰列表的单个元素。
下面，将参考附图详细描述包括多谐振器阵列或多个谐振器的阵列的声音方向检测传感器。在整个附图中，相似的附图标记指代相似的元件，并且为了清楚和方便描述，每个元件的尺寸可以被夸大。同时，以下示例性实施例仅是说明性的，并且可以从这些实施例进行各种修改。在下面描述的层结构中，诸如“在…上方”或“在...上”的表述不仅可以包括“以接触方式直接在…上”的含义，而且可以包括“以非接触方式在…上”的含义。
这里考虑的声音方向检测传感器可以被安置为具有包括两个或更多个谐振结构的不同的方向性。每个谐振结构可以包括一个谐振器或多个谐振器。尽管以下描述和附图示出了具有多个谐振器的谐振结构，但是如果多个谐振器是不期望的，则谐振结构可以用仅具有一个谐振器的谐振结构来替换。例如，在下面的描述中，声音方向检测传感器被描述为使用两个谐振器阵列，每个谐振器阵列包括多个谐振器，但是这仅是示例，并且可以使用仅两个谐振器来代替两个谐振器阵列。
图1是示出根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意平面视图。参考图1，根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器100可以包括第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120，第一谐振器阵列110包括具有不同谐振频率的多个谐振器，并且第二谐振器阵列120包括具有不同谐振频率的多个谐振器。第一谐振器阵列110的谐振器可以与第二谐振器阵列120的谐振器相同。换言之，第一谐振器阵列110的谐振器可以与第二谐振器阵列120的谐振器具有相同的频率响应特性。然而，本公开不限于此，并且第一谐振器阵列110的多个谐振器和第二谐振器阵列120的多个谐振器可以具有不同的频率响应特性。
第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120用作能够感测声音的声音传感器。为此，第一谐振器阵列110的多个谐振器的谐振频率和第二谐振器阵列120的多个谐振器的谐振频率可以处于例如可听频带(audile frequency band)内。例如，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以各自包括48个谐振器，这48个谐振器具有从500Hz开始以75Hz为增量增加的谐振频率。第一谐振器阵列110的多个谐振器和第二谐振器阵列120的多个谐振器中的一些可以具有比可听频率更低或更高的谐振频率。
第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120被彼此邻近地安置在基本平面的上基板101上。例如，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以被彼此平行地安置。为了允许声波入射到第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120上，提供第一声音入口130和第二声音入口140，作为上基板101中的开口。第一声音入口130和第二声音入口140被安置成一排并彼此间隔开一定间隔。第一谐振器阵列110被安置为面对第一声音入口130并且通过第一声音入口130暴露于入射声波。第二谐振器阵列120被安置为面对第二声音入口140并且通过第二声音入口140暴露于入射声波。
图2是图1所示的声音方向检测传感器100的示意性横截面视图。参考图2，声音方向检测传感器100还可以包括下基板102和竖直间隔件103，下基板102面对上基板101并与上基板101间隔开，并且竖直间隔件103被安置在上基板101的边缘与下基板102的边缘之间以保持上基板101与下基板102之间的间距(spacing)恒定。下基板102具有基本平板的形状(form)并且可以平行于上基板101，但是本公开不限于该结构。例如，下基板102可以替选地具有曲面。
提供一个声音出口150，作为下基板102中的开口。穿过第一声音入口130和/或第二声音入口140进入传感器100的声音通过声音方向检测传感器100的下部中的第二出口150离开传感器100。因此，具有第一方向的声路由第一声音入口130和声音出口150形成，并且具有第二方向的声路由第二声音入口140和声音出口150形成。由于第一声音入口130和第二声音入口140在上基板101上彼此间隔开，所以第一方向和第二方向彼此不同。
图3A至图3C是根据各种示例性实施例的声音方向检测传感器100的示意性后视图，在这些示例性实施例中声音出口150被说明为具有各种位置和形状。例如，参考图3A，声音出口150可以具有矩形形状并且可以被形成在下基板102的中央部分。如图3B所示，声音出口150可以具有矩形形状并且可以被安置在下基板102的右侧。如图3C所示，声音出口150可以具有圆形形状并且可以被形成在下基板102的中央部分。声音出口150可以具有各种不同的形状、尺寸和位置中的任一种。声音出口150的位置可以确定第一方向和第二方向，并且声音出口150的形状和尺寸可以影响声音方向检测传感器100的特性。因此，可以取决于声音方向检测传感器100的期望用途适当地确定声音出口150的形状、尺寸和位置。
返回参考图2，第一谐振器阵列110被固定在上基板101的下表面上以面对第一声音入口130，并且第二谐振器阵列120被固定在上基板101的下表面上以面对第二声音入口140。因此，第一谐振器阵列110响应沿第一方向从第一声音入口130向声音出口150行进的声音，并且第二谐振器阵列120响应沿第二方向从第二声音入口140向声音出口150行进的声音。为了保持具有各种频谱中的任一种的声音的统一精确度，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以各自包括具有不同谐振频率的多个谐振器。为了使第一谐振器阵列110的每个谐振器和第二谐振器阵列120的每个谐振器响应于具有相应频率的声音而振动，每个谐振器的一端被固定到上基板101，而通过第一声音入口130或第二声音入口140暴露于入射声波的对端是自由端。
例如，图4是图1所示的声音方向检测传感器100的一个谐振器的结构的示意性横截面视图。参考图4，传感器100的每个谐振器R可以包括固定到上基板101的固定部分10、响应于声信号而移动的可移动部分30、以及感测可移动部分30的移动的感测部分20。谐振器R还可以包括用于向可移动部分30提供附加质量m的质量体40。
第一谐振器阵列110的多个谐振器R和第二谐振器阵列120的多个谐振器R可以按照使得每个谐振器R同时暴露于声信号的输入路径的方式被布置在单个平面中，而不彼此重叠。例如，第一谐振器阵列110的多个谐振器R的固定部分10可以被布置为沿着第一声音入口130的一侧，使得它们不彼此重叠，并且第二谐振器阵列120的多个谐振器R的固定部分10可以被布置为沿着第二声音入口140的一侧，使得它们不彼此重叠。第一谐振器阵列110的多个谐振器R的可移动部分30可以通过第一声音入口130暴露于入射声波，并且第二谐振器阵列120的多个谐振器R的可移动部分30可以通过第二声音入口140暴露于入射声波。
可移动部分30可以包括用于基于声信号(包括声波)的弹性振动的弹性膜。例如，弹性膜可以包括诸如硅、金属、聚合物等材料。弹性膜的长度和质量体40的质量m是有助于确定谐振器R的谐振特性的因子。谐振器R的谐振频率随着弹性膜的长度而变化。例如，具有短长度的可移动部分30可以响应于高频声音而振动，并且具有长长度的可移动部分30可以响应于低频声音而振动。因此，包括具有较短长度的可移动部分30的谐振器R的谐振频率会是高的，并且包括具有较长长度的可移动部分30的谐振器R的谐振频率会是低的。
感测部分20可以包括用于感测可移动部分30的移动的传感器层。感测部分20可以包括例如压电元件。在这种情况下，感测部分20可以具有这样的结构，其中电极层、压电材料层和电极层被依次成层(layer)。作为压电材料，例如，可以使用氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO)、锆钛酸铅(PZT)、锡酸锌(ZnSnO3)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)P(VDF-TrFE)、氮化铝(AlN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)等。作为电极层，可以使用各种导电材料或金属中的任一种。
谐振器R可以具有例如几微米或更小的宽度、几微米或更小的厚度、以及几毫米或更小的长度。具有这样微小尺寸的谐振器R可以通过微机电系统(MEMS)工艺来制造。每个谐振器R可以响应于与相应谐振器R的谐振频率匹配的外部声信号而上下振动。谐振器R振动的振幅(amplitude)可以与其接收到的声信号的压力梯度成比例。如此，由于谐振器R上下振动，所以第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120是双向的。
图5是示出图1所示的声音方向检测传感器100的工作原理的示意性横截面视图。如上所述，第一方向上的声路由第一声音入口130和声音出口150形成，并且第二方向上的声路由第二声音入口140和声音出口150形成。第一谐振器阵列(谐振器阵列I)110沿着第一方向具有方向性，并且第二谐振器阵列(谐振器阵列II)120沿着第二方向具有方向性，使得即使它们被彼此平行地安置在同一平面上，它们也可以具有不同的方向性。
例如，如图5所示，声音出口150在下基板中被安置在第一声音入口130与第二声音入口140之间的中间点处，使得第一方向和第二方向相对于上基板的平面的法线均倾斜角度θ。图6和图7示出了图5所示的示例性实施例中的声音方向检测传感器100的第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的方向性。在图6和图7中，与声音方向检测传感器100的上基板的平面垂直的方向被定义为0°，最外圆圈指示0dB，并且最内圆圈指示-40dB。如图6所示，第一谐振器阵列110具有在逆时针方向上相对于前面倾斜θ的方向性。如图7所示，第二谐振器阵列120具有在顺时针方向上相对于前面倾斜θ的方向性。也就是说，可以看出，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120具有在不同方向上倾斜的方向性。
因此，取决于声波入射到声音方向检测传感器100的方向，第一谐振器阵列110的谐振器振动的振幅和第二谐振器阵列120的谐振器振动的振幅可以改变。例如，在图5中，如果声波从声音方向检测传感器100的左侧相对于与声音方向检测传感器100的上基板方向的平面垂直的线以角度θs入射(如图5所示)，则声波相对于第一谐振器阵列110的独特方向性(unique directionality)以角度θ-θs入射到第一谐振器阵列110，以及相对于第二谐振器阵列120的独特方向以角度θ+θs入射到第二谐振器阵列120。如果与声音方向检测传感器100的上基板的平面垂直的线被定义为0°且θ是45°，则对于θs＝0°，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅可以彼此相同；对于-45°<θs<0°，第一谐振器阵列110的谐振器的振动的振幅大于第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅；并且对于0°<θs<45°，第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅大于第一谐振器阵列110的谐振器的振动的振幅。
图8是示出测量声音方向检测传感器100的第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的上述方向性特性的结果的示图。在图8中，水平轴指示声波相对于与传感器100的上基板垂直的方向入射到声音方向检测传感器100的角度，而竖直轴指示第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅。通过相对于与声音方向检测传感器100的上基板垂直的方向以0°与360°之间的角度产生具有1kHz的频率的声音并且对第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的平均振幅进行归一化，已经获得图8的示图。如图8所示，第一谐振器阵列110的谐振器的振动的平均振幅和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的平均振幅可以随着声波入射的角度而变化。
因此，通过将第一谐振器阵列110的输出与第二谐振器阵列120的输出进行比较，可以检测声波入射的方向。图9是包括基于第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的输出来计算声音的方向的计算器的框图。参考图9，声音方向检测传感器100还可以包括计算器160，计算器160与第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120连接，并且基于从第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120接收的输出来计算声音从其入射的方向。计算器160将第一谐振器阵列110的输出与第二谐振器阵列120的输出进行比较，并基于比较的结果来计算声音的方向。用于通过将第一谐振器阵列110的输出与第二谐振器阵列120的输出进行比较来确定声音的方向的算法可以以各种方式中的任一种来实现。
例如，图10是通过使用由第一谐振器阵列110和第二谐振阵列120测量的声音来计算声音入射的方向的示例性过程的流程图。在操作S10中，计算器160在特定时间内接收来自第一谐振器阵列110的输出。同时，在操作S11中，计算器160还在相同的特定时间内接收来自第二谐振器阵列120的输出。在操作S12中，计算器160对来自第一谐振器阵列110的输出进行平均。例如，计算器160可以在时域上计算第一谐振器阵列110的多个谐振器的多个均方根(RMS)的平均值。以相同的方式，计算器160在时域上计算第二谐振器阵列120的多个谐振器的RMS的平均值。在操作S14中，计算器160将第一谐振器阵列110的平均输出除以第二谐振器阵列120的平均输出，以将第一谐振器阵列110的输出与第二谐振器阵列120的输出进行比较。
尽管声音从同一方向入射到两个谐振器阵列上，以这种方式获得的比较值可以基于第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的特性而变化。因此，计算器160基于第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的特性执行补偿在操作S14中获得的比较值的补偿处理。例如，基于第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的方向性、布置方向、频率响应特性等的补偿参数可以被预先存储在计算器160中。计算器160通过使用预先存储的补偿参数来校正在操作S14中获得的比较值。计算器160通过使用在操作S15中获得的校正后的比较值来计算声音的方向。例如，可以以查找表的形式预先存储关于校正后的比较值与表示为角度的声音的方向之间的关系的数据。然后，计算器160通过参考查找表获得与校正后的比较值对应的声音的方向，而不执行单独的操作。
可以以各种其他方式中的任一种执行操作S10至S13。例如，计算器160可以基于第一谐振器阵列110的多个谐振器中的一个或多个的输出来获得第一谐振器阵列110的平均输出，并且基于第二谐振器阵列120的多个谐振器中的一个或多个的输出来获得第二谐振器阵列120的平均输出。在此，第一谐振器阵列110的一个或多个谐振器可以具有与第二谐振器阵列120的一个或多个谐振器相同的谐振频率。在计算平均输出的操作S12和S13中，计算器160可以将从第一谐振器阵列110中的所选的一个或多个谐振器的输出导出的时域数据与从第二谐振器阵列120中的一个或多个谐振器的输出导出的时域数据进行比较。换言之，计算器160针对时域计算所选的一个或多个谐振器的RMS，以获得第一谐振器阵列110与第二谐振器阵列120之间的比较值。
替代地，计算器160将从第一谐振器阵列110的所选的一个或多个谐振器的输出导出的频域数据与从第二谐振器阵列120中的所选的一个或多个谐振器的输出导出的频域数据进行比较。换言之，计算器160可以针对频域计算所选的一个或多个谐振器的RMS，以获得第一谐振器阵列110与第二谐振器阵列120之间的比较值。当计算器160基于频域计算比较值时，计算器160不需要在特定时间内接收来自第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的输出，并且可以仅使用从第一谐振器阵列110接收的声音的频谱和从第二谐振器阵列120接收的声音的频谱。
图11是示出如上所述测量的声音方向与实际声音方向之间的比较的示图。在图11中，水平轴指示实际声音方向的角度，而竖直轴指示测量的声音方向的角度。参考图11，由于实际声音方向与测量的声音方向具有基本线性关系，因此根据本示例性实施例的声音方向检测传感器100可以以相对高的准确度检测声音的方向。
声音方向检测传感器100通过使用方向性彼此不同的第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120来检测声音的方向，由此避免了对第一谐振器阵列110与第二谐振器阵列120之间的距离的限制。结果，尽管第一谐振器阵列110与第二谐振器阵列120之间的距离短，但是可以以较优越的角分辨率检测声音的方向。因此，根据本示例性实施例的声音方向检测传感器100可以被小型化并且可以安装在小尺寸电子产品上。而且，根据本示例性实施例的声音方向检测传感器100可以随着时间连续地测量声音的方向。
由于声音方向检测传感器100使用具有不同谐振频率的多个谐振器，所以声音方向检测传感器100能够执行宽带测量，并且即使在嘈杂的环境中也能够准确地检测声音的方向，并且声音方向检测传感器100也可以恢复声音，这是由于声音方向检测传感器100具有频带信息。图12示出了在嘈杂的环境中在频域中对第一谐振器阵列110的输出进行平均，并且图13示出了在嘈杂的环境中在频域中对第二谐振器阵列120的输出进行平均。如图12和13所示，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的输出在频域上被平均，并且第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的平均输出可以被相互比较，使得可以降低处于特定频带的噪声(如车辆噪声)的影响。因此，在具有处于该频带的噪声的环境中，声音方向检测传感器100保持鲁棒特性。
由于声音方向检测传感器100通过使用多个谐振器分析入射声音的频谱，所以声音方向检测传感器100可以去除噪声基本连续的特定频率区域，并且还可以对第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的输出进行平均。因此，声音方向检测传感器100可以在对第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的输出进行平均时去除噪声分量，从而进一步改进测量的准确度。可以从入射声音选择特定的频率分量，并且可以选择性地检测具有该频率分量的声音的方向。而且，可以同时检测若干不同频率分量的声音的方向。以这种方式，通过同时检测多个频率分量的声音的方向，可以获得立体音频信息。
图14是示出根据另一示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意性透视图。参考图14，根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器200可以包括相对于彼此倾斜的第一基板201和第二基板202、形成为穿过第一基板201的开口的第一声音入口210、形成为穿过第二基板202的开口的第二声音入口220、固定在第一基板201上以面对第一声音入口210的第一谐振器阵列110、以及固定在第二基板202上以面对第二声音入口220的第二谐振器阵列120。
在图14中，第一基板201和第二基板202被示出为彼此连接。例如，第一基板201和第二基板202可以按照使得第一基板201的一侧和第二基板202的一侧彼此接触的方式连接。在这种情况下，第一基板201和第二基板202可以一体地形成。然而，替选地，第一基板201和第二基板202可以彼此间隔开，并且在这种情况下，第一基板201和第二基板202可以分开制造。为了赋予第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120不同的方向性，第一基板201和第二基板202可以相对于彼此倾斜。由此，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120指向不同的方向，并具有不同的方向性。例如，第一基板201与第二基板202之间的内角可以是大约90度。在这种情况下，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以在其之间具有90度的方向性差异。
第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以具有与上述相同的结构。例如，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120可以各自包括具有不同谐振频率的多个谐振器。第一谐振器阵列110的每个谐振器和第二谐振器阵列120的每个谐振器可以包括固定部分10、可移动部分30、感测部分20和质量体40，如图4所示。第一谐振器阵列110的每个谐振器的固定部分10被固定在第一基板201上，并且第二谐振器阵列120的每个谐振器的固定部分10被固定在第二基板202上。第一谐振器阵列110的多个谐振器的固定部分10可以被布置为沿着第一声音入口210的一侧而不彼此重叠，并且第二谐振器阵列120的多个谐振器的固定部分10可以被布置为沿着第二声音入口220的一侧而不彼此重叠。第一谐振器阵列110的多个谐振器的可移动部分30可以通过第一声音入口210暴露于入射声波，并且第二谐振器阵列120的多个谐振器的可移动部分30可以通过第二声音入口220暴露于入射声波。第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的可移动部分30分别响应于穿过第一声音入口210和第二声音入口220的声音而振动。
图15是示出图14所示的声音方向检测传感器200的工作原理的示意性横截面视图。如上所述，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120被安置在不同的方向上，因此具有不同的方向性。例如，如图15所示，假设第一基板201和第二基板202彼此接触所沿循的边缘朝向前面被安置并且第一基板201与水平面之间的角以及第二基板202与水平面之间的角为θ(第一基板201、第二基板202和水平面形成三角形，使得180°＝2θ+第一基板与第二基板之间的角度)，于是与第一谐振器阵列110垂直的线具有在逆时针方向上相对于前面倾斜θ的方向性，并且与第二谐振器阵列120垂直的线具有在顺时针方向上相对于前面倾斜θ的方向性。
因此，取决于入射到声音方向检测传感器200的入射声音的方向，第一谐振器阵列110的谐振器振动的振幅和第二谐振器阵列120的谐振器振动的振幅可以改变。例如，在图15中，如果声音从声音方向检测传感器200的左侧相对于声音方向检测传感器100的前方向以倾斜θs入射到传感器200，则声音相对于垂直于第一基板的线以角度θ-θs入射到第一谐振器阵列110，以及相对于垂直于第二基板的线以角度θ+θs入射到第二谐振器阵列120。如果声音方向检测传感器200的前方向被定义为0°且θ是45°，则第一谐振器阵列110相对于第二谐振器阵列120具有90°的方向性差异。对于θs＝0°，第一谐振器阵列110的谐振器的振动的振幅可以与第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅相同；对于-45°<θs<0°，第一谐振器阵列110的谐振器的振动的振幅可以大于第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅；并且对于0°<θs<45°，第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅可以大于第一谐振器阵列110的谐振器的振动的振幅。
图16是示出测量声音方向检测传感器200的第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的上述方向性特性的结果的示图。在图16中，水平轴指示声音相对于前方向入射到声音方向检测传感器200的角度，而竖直轴指示第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的振幅。通过相对于声音方向检测传感器200以0度到360度的角度产生具有1kHz的频率的声音并且对第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的平均振幅进行归一化，已经获得图16的示图。如图16所示，第一谐振器阵列110的谐振器的振动的平均振幅和第二谐振器阵列120的谐振器的振动的平均振幅可以随着声音入射的角度而变化。当入射声音的方向接近0°、90°、180°和270°时，第一谐振器阵列110和第二谐振器阵列120的振动的平均振幅彼此相同。因此，通过对第一谐振器阵列110的输出与第二谐振器阵列120的输出进行比较，可以检测声音入射的方向。
尽管图14所示的声音方向检测传感器200被示出为仅包括两个谐振器阵列110和120，但是本公开不限于此。图17至图19是示出根据各种其他示例性实施例的声音方向检测传感器的结构的示意性透视图。
参考图17，根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器200a可以包括具有第一声音入口210的第一基板201、具有第二声音入口220的第二基板202、具有第三声音入口230的第三基板203、以及具有第四声音入口240的第四基板204。第一谐振器阵列110固定在第一基板201上以面对第一声音入口210；第二谐振器阵列120固定在第二基板202上以面对第二声音入口220；第三谐振器阵列130固定在第三基板203上以面对第三声音入口230；以及第四谐振器阵列140固定在第四基板204上以面对第四声音入口240。例如，第一基板201、第二基板202、第三基板203和第四基板204可以被安置为形成方形或矩形的缸。由此，第一谐振器阵列110至第四谐振器阵列140可以具有相对于水平面的四个不同的方向性。
参考图18，除了图17所示的声音方向检测传感器200a的组件之外，根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器200b还可以包括具有第五声音入口250的第五基板205、具有第六声音入口260的第六基板206、固定在第五基板205上以面对第五声音入口250的第五谐振器阵列150、以及固定在第六基板206上以面对第六声音入口260的第六谐振器阵列160。例如，第五基板205和第六基板206可以被安置为彼此面对并且可以分别垂直于第一基板201至第四基板204中的每一个。因此，第一基板201至第六基板206可以形成六面体或长方体。因此，第一谐振器阵列110至第六谐振器阵列160可以具有六个不同的方向性。
参考图19，根据一个示例性实施例的声音方向检测传感器200c可以包括具有圆形的第一声音入口270的第一基板201、具有圆形的第二声音入口280的第二基板202、固定在第一基板201上以面对第一声音入口270的第一谐振器阵列210、以及固定在第二基板202上以面对第二声音入口280的第二谐振器阵列220。在上述示例性实施例中，所有声音入口130、140、210、220、230、240、250和260具有矩形形状，但是如图19所示，也可以使用圆形的声音入口270和280。另外，在前述示例性实施例中，谐振器阵列110、120、130、140、150和160中的每一个的谐振器分别沿着声音入口130、140、210、220、230、240、250和260的一侧布置成一排，但是如图19所示，第一谐振器阵列210和第二谐振器阵列220中的每一个的多个谐振器可以分别沿着第一声音入口270和第二声音入口280的外周布置。
尽管已经参考附图中示出的示例性实施例描述了包括多谐振器阵列的声音方向检测传感器，但是声音方向检测传感器也可以用具有如上所述的一个谐振器的谐振结构代替。尽管已经示出和描述了前述实施例作为示例，但是本领域普通技术人员将明白，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。因此，所公开的示例性实施例应当被视为说明性而非限制性的。示例性实施例的范围将在所附权利要求中，并且其等同范围的所有差异应被理解为包括在示例性实施例中。
应当理解，这里描述的示例性实施例应被视为仅是描述性的而不是为了限制的目的。每个示例性实施例内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已经参考附图描述了一个或多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种修改。

Claims (15)

1.一种声音方向检测传感器，包括：
第一谐振器阵列，包括第一多个谐振器；以及
第二谐振器阵列，包括第二多个谐振器，
其中第一谐振器阵列的方向性不同于第二谐振器阵列的方向性，
其中，相对于沿第一方向入射到声音方向检测传感器的声波，第一谐振器阵列的谐振器中的振幅大于第二谐振器阵列的谐振器中的振幅，相对于沿不同于第一方向的第二方向入射到声音方向检测传感器的声波，第一谐振器阵列的谐振器中的振幅小于第二谐振器阵列的谐振器中的振幅，相对于沿不同于第一方向和第二方向的第三方向入射到声音方向检测传感器的声波，第一谐振器阵列的谐振器中的振幅等于第二谐振器阵列的谐振器中的振幅，
其中，第一谐振器阵列和第二谐振器阵列被彼此平行地安置。
2.根据权利要求1所述的声音方向检测传感器，其中，第一谐振器阵列的频率响应特性与第二谐振器阵列的频率响应特性相同。
3.根据权利要求1所述的声音方向检测传感器，其中，所述第一多个谐振器的谐振频率和所述第二多个谐振器的谐振频率处于可听频带内。
4.根据权利要求1所述的声音方向检测传感器，还包括计算器，所述计算器被配置为基于第一谐振器阵列的输出和第二谐振器阵列的输出来计算声音的方向。
5.根据权利要求4所述的声音方向检测传感器，其中，所述计算器还被配置为通过将第一谐振器阵列的输出与第二谐振器阵列的输出进行比较来检测声音的方向。
6.根据权利要求5所述的声音方向检测传感器，其中，所述计算器还被配置为通过在时域中计算所述第一多个谐振器的均方根的平均值来计算第一谐振器阵列的输出，以及通过在时域中计算所述第二多个谐振器的均方根的平均值来计算第二谐振器阵列的输出。
7.根据权利要求4所述的声音方向检测传感器，其中，所述计算器还被配置为通过将所述第一多个谐振器中的至少一个谐振器的输出与所述第二多个谐振器中的至少一个谐振器的输出进行比较来检测声音的方向。
8.根据权利要求7所述的声音方向检测传感器，其中，所述计算器还被配置为通过将从所述第一多个谐振器中的至少一个谐振器的输出和所述第二多个谐振器中的至少一个谐振器的输出导出的时域数据和频域数据之一进行比较来检测声音的方向。
9.一种声音方向检测传感器，包括：
第一基板；
包括穿过第一基板的第一开口的第一声音入口和包括穿过第一基板的第二开口的第二声音入口；
第二基板，与第一基板间隔开；
包括穿过第二基板的开口的声音出口；
第一谐振器，被固定在第一基板上并面对第一声音入口；以及
第二谐振器，被固定在第一基板上并面对第二声音入口，
计算器，所述计算器被配置为基于第一谐振器阵列的输出和第二谐振器阵列的输出来计算声音的方向，
其中，第一声音入口与第二声音入口间隔开，第一声音入口和声音出口形成第一方向上的声路，并且第二声音入口和声音出口形成不同于第一方向的第二方向上的声路。
10.根据权利要求9所述的声音方向检测传感器，其中，第一基板实质上平行于第二基板，以及
声音方向检测传感器还包括间隔件，该间隔件被安置在第一基板的边缘与第二基板的边缘之间。
11.根据权利要求9所述的声音方向检测传感器，其中，第一谐振器实质上平行于第二谐振器。
12.根据权利要求9所述的声音方向检测传感器，其中，第一谐振器包括第一多个谐振器，并且第二谐振器包括第二多个谐振器。
13.根据权利要求12所述的声音方向检测传感器，其中，所述第一多个谐振器和所述第二多个谐振器中的每个包括：
固定在第一基板上的固定部分；
配置为响应于音频信号而移动的可移动部分；以及
配置为感测可移动部分的移动的感测部分。
14.根据权利要求13所述的声音方向检测传感器，其中，所述第一多个谐振器的可移动部分通过第一声音入口暴露于入射声音，并且所述第二多个谐振器的可移动部分通过第二声音入口暴露于入射声音。
15.根据权利要求13所述的声音方向检测传感器，其中，所述第一多个谐振器的固定部分被安置为沿着第一声音入口的一侧并且不彼此重叠，并且所述第二多个谐振器的固定部分被安置为沿着第二声音入口的一侧并且不彼此重叠。
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