CN109884579B - 定向声学传感器以及包括定向声学传感器的电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种检测声音方向的定向声学传感器，一种检测声音方向的方法，以及一种包括定向声学传感器的电子设备。所述定向声学传感器包括：声音入口，通过声音入口接收声音；声音出口，通过声音出口输出通过声音入口接收的声音；以及多个振动体，布置在声音入口与声音出口之间，其中多个振动体中的一个或多个振动体根据接收到的声音的方向选择性地对通过声音入口接收的声音作出反应。

Description

定向声学传感器以及包括定向声学传感器的电子设备
相关申请的相交引用
本申请要求于2017年12月6日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0166643的优先权，该申请的公开内容通过全文引用的方式并入本文中。
技术领域
根据示例实施例的装置和方法涉及检测声音方向的定向声学传感器以及包括定向声学传感器的电子设备。
背景技术
利用安装在家用电器、图像显示设备、虚拟现实设备、智能扬声器等上的传感器来检测声音入射的方向并识别语音正逐渐增多。
用于检测声音方向的传感器通常利用声音入射在多个麦克风处的时间差来计算声音入射的方向。当这样的多个麦克风用于感测时间差时，该多个麦克风必须彼此间隔足够的距离。结果，系统的总体积较大并且系统安装复杂。而且，必须始终计算多个麦克风之间的相位差。
发明内容
一个或多个示例实施例可以提供一种被配置为检测声音方向的定向声学传感器。
一个或多个示例实施例可以提供一种电子设备，包括定向声学传感器，以各种方式使用感测到的声音的方向信息。
一个或多个示例实施例可以提供一种使用单个传感器结构利用多个振动体实现径向方向性的定向声学传感器，所述多个振动体沿径向约360度布置，其中每个振动构件具有其自身的方向性。
附加示例方面和优点在随后的描述中部分地提出，并且根据该描述变得显而易见，或者可以通过实践所提出的示例实施例而得以学习。
根据示例实施例的一个方面，一种定向声学传感器，包括：声音入口，通过所述声音入口接收声音；声音出口，通过所述声音出口输出通过所述声音入口接收的声音；以及多个振动体，布置在所述声音入口与所述声音出口之间，其中所述多个振动体中的一个或多个振动体根据接收到的声音的方向选择性地对通过所述声音入口接收的声音作出反应。
所述多个振动体可以以阵列布置在单个平面上，所述阵列围绕所述平面上的中心点，其中所述中心点在竖直方向上与所述声音入口的中心对齐。
所述阵列可以相对于所述中心点对称。
所述阵列可以具有圆形、椭圆形或多边形形状。
所述声音出口可以在竖直方向上与所述多个振动体中的所有振动体重叠。
所述声音出口可以是分别对应于所述多个振动体的多个声音出口。
所述多个振动体中的每个振动体可以具有相同的谐振频率。
所述多个振动体可以包括具有不同谐振频率的不同振动体。
所述多个振动体可以被分组为多个子组，每个子组以不同的方向取向，并且所述多个子组中的每个子组可以包括具有不同谐振频率的不同振动体。
所述多个子组中的每个子组中包括的所述多个振动体可以按照谐振频率的幅度的顺序布置。
在所述多个子组中的相邻子组中，多个振动体可以按照谐振频率的幅度的相反顺序布置。
所述多个子组可以被布置成使得相对于所述多个振动体的布置中心点彼此对称布置的振动体可以具有相同的谐振频率。
根据另一示例实施例的一个方面，一种检测声音方向的方法，所述方法包括：提供包括多个振动体的振动体阵列，所述多个振动体被布置成使得所述多个振动体中的一个或多个振动体基于接收到的声音的方向选择性地对接收到的声音作出反应；以及当目标声音被接收到所述振动体阵列时，通过将所述多个振动体的输出相互比较来估计所述目标声音的声源分布图。
所述方法还包括：针对所述振动体阵列，设置匹配图，所述匹配图用于基于所述多个振动体中的每个振动体的输出来估计接收到的声音的方向，其中估计接收到的声音的方向可以包括：通过将对所述目标声音作出反应的一个或多个振动体的振幅与所述匹配图进行比较来确定所述目标声音的方向。
设置所述匹配图可以包括设置多个匹配图，所述多个匹配图指示所述振动体阵列中包括的两个振动体间的振幅差与接收到的声音的方向之间的关系。
根据另一示例实施例的一个方面，一种物联网(IoT)设备，包括：定向声学传感器，被配置为接收用户提供的语音信号；存储器，在所述存储器中存储应用模块；以及处理器，被配置为执行所述应用模块。
所述IoT设备还可以包括：可移动设备，能够旋转或以其他方式移动；以及控制模块，被配置为基于使用所述定向声学传感器接收到的声音信号作为输入变量而执行的所述应用模块的执行结果，按照特定方向旋转或以其他方式移动所述可移动设备。
所述可移动设备可以包括：输出设备，被配置为输出所述应用模块的执行结果。
所述IoT设备还可以包括：学习模块，被配置为结合方向学习所述定向声学传感器接收到的信号是否是有效输入声音信号。
根据另一示例实施例的一个方面，一种车辆语音接口设备，包括：定向声学传感器；以及有效信号提取模块，被配置为基于所述定向声学传感器接收到的声音信号的方向确定所述声音信号是否是有效声音信号，并当所述声音信号是有效声音信号时向车辆控制模块传送所述声音信号。
所述有效信号提取模块还可以被配置为将具有与驾驶员的方向不同的方向的声音信号作为噪声而消除，并且向所述车辆控制模块传送经噪声消除的声音信号。
根据另一示例实施例的一个方面，一种空间记录设备，包括：定向声学传感器；处理器，被配置为通过分析所述定向声学传感器感测到的声音信号来确定所述定向声学传感器感测到的声音信号的方向；以及存储器，在所述存储器中存储用于所述处理器进行的信号处理的程序以及所述处理器的执行结果。
所述空间记录设备还可以包括多声道扬声器，其中所述处理器还被配置为控制所述多声道扬声器，使得适当地向一方向播放所述存储器中存储的声音信号。
根据另一示例实施例的一个方面，一种全向相机，包括：定向声学传感器；全向拍摄模块；处理器，被配置为控制所述定向声学传感器和所述全向拍摄模块，使得所述定向声学传感器感测到的定向声音信号与所述全向拍摄模块捕获的全向图像信号彼此匹配；以及存储器，在所述存储器中存储所述定向声音信号和所述全向图像信号。
附图说明
结合附图，根据对示例实施例的以下描述，将清楚并更容易领会上述和其他示例方面和优点，在附图中：
图1是示出了根据示例实施例的定向声学传感器的结构的平面图；
图2是沿线A-A’截取的图1的定向声学传感器的截面图；
图3A和图3B是以不同的横截面详细示出了图1的定向声学传感器中包括的振动体的结构的截面图；
图4示出了图1的定向声学传感器中包括的多个振动体中的一些，示出了振动体的定向增益曲线；
图5示出了图1的定向声学传感器感测的关于位于多个位置处的声源的声源分布图；
图6示出了图1的定向声学传感器中包括的两个振动体，在极坐标中示出了各个振动体的定向增益曲线；
图7在正交坐标中示出了图6的定向增益曲线；
图8是根据图7的定向增益曲线设置的用于估计接收到的声音的方向的匹配图；
图9是示意性地示出了根据示例实施例的检测声音方向的方法的流程图；
图10是示出了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图；
图11是沿线A-A’截取的图10的定向声学传感器的截面图；
图12示出了用于将根据示例实施例的定向声学传感器与根据比较示例的定向声学传感器在性能方面进行比较的实验装置；
图13是根据比较示例1的两个麦克风相对于声源方向的变化的输出图；
图14是根据比较示例2的两个麦克风相对于声源方向的变化的输出图；
图15是根据示例实施例的两个振动体相对于声源方向的变化的输出图；
图16示出了用于测试根据示例实施例的定向声学传感器是否可以估计声音的实验装置；
图17是根据示例实施例的四个振动体相对于声源方向的变化的输出图；
图18是将基于来自多个振动体的输出而估计的声音方向与实际声音方向进行比较的图，所述多个振动体包括在根据示例性实施例的定向声学传感器中；
图19示出了用于将根据示例实施例的定向声学传感器与根据比较示例的定向声学传感器在性能方面进行比较的另一实验装置；
图20是将由根据示例实施例的定向声学传感器感测的声音信号和由根据比较示例的定向声学传感器感测的声音信号与来自声源的声音信号进行比较的视图；
图21是例示了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图；
图22是例示了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图；
图23是例示了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图；
图24是示出了根据示例实施例的物联网(IoT)设备的示意性结构的框图；
图25示出了将图23的IoT设备应用于日常生活的操作；
图26是示出了根据示例实施例的车辆语音接口设备的示意性配置的框图；
图27示出了将根据示例实施例的车辆语音接口设备应用于车辆的操作；
图28是示出了根据示例实施例的空间记录设备的示意性配置的框图；以及
图29是示出了根据示例实施例的全向相机的示意性结构的框图。
具体实施方式
现在详细参考附图中所示的示例实施例，贯穿附图相同的附图标记指代相同的元件。在这点上，呈现的实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。诸如“……中的至少一个”之类的表述在元件列表之前时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。
诸如“在……上方”或“在……上”之类的表述不仅可以包括“以接触方式直接在……上”的含义，还可以包括“以非接触方式在……上”的含义。
诸如“第一”、“第二”等之类的术语可以用于描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语并非旨在限制元件的实体或结构不同。
除非上下文另行明确指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。假设某个部件包括某个组件，术语“包括”意味着对应组件还可以包括其他组件，除非写了与对应组件相反的特定含义。
在实施例中使用的诸如“单元”或“模块”之类的术语指示用于处理至少一个功能或操作的单元，并且可以用硬件、软件或者用硬件和软件的组合来实现。
“该(所述)”以及与其类似的其他指示词的使用可以对应于单数形式和复数形式两者。
可以以任何适当的顺序执行方法的步骤，只要没有明确提到必须按照它们描述的顺序来执行步骤。所有示例性术语(例如，“等”、“等等”)的使用仅旨在详细描述技术精神，并且除非权利要求限定范围，否则范围不必受限于示例或示例性术语。
图1是示出了根据示例实施例的定向声学传感器的结构的平面图，并且图2是沿线A-A’截取的图1的定向声学传感器的截面图。图3A和图3B是以不同的横截面详细示出了图1的定向声学传感器中包括的振动体的结构的截面图。
参照图1和图2，根据示例实施例的定向声学传感器100可以包括：声音入口134，通过其接收声音；声音出口135，通过其输出通过声音入口134接收的声音；以及多个振动体110_k，布置在声音入口134与声音出口135之间。本文中，当多个振动体110_k的数量是N时，k是从1到N的整数。
定向声学传感器100的物理角度分辨率可以由振动体110_k的数量N来确定。物理角度分辨率可以表示为360°/N。根据示例实施例的定向声学传感器100可以比较多个振动体110_k中的每个的输出的幅度以检测接收到的声音的方向，其中可以用要在幅度方面进行比较的较多的振动体110_k来获得较高的角度分辨率。
多个振动体110_k布置为使得：多个振动体110_k中的一个或多个根据经由声音入口134接收的声音的方向选择性地对接收到的声音作出反应。多个振动体110_k可以以围绕声音入口134的形式布置。多个振动体110_k布置在一个平面中，使得没有一个振动体叠置在任何其他振动体上，并且多个振动体110_k的所有振动体都暴露于声音入口134。如图所示，多个振动体110_k可以布置在同一平面中以围绕平面上的中心点C，该中心点C竖直地面向声音入口134的中心。虽然多个振动体110_k在图中示出为以圆形形式围绕中心点C，但是该图示是示例。多个振动体110_k的布置不限于该示例，并且可以具有相对于中心点C具有对称性的各种形式中的任何一种形式。例如，多个振动体110_k可以布置成多边形或椭圆形布置。备选地，根据一个或多个不同的示例实施例，振动体可以相对于中心点不对称地布置。
设置声音出口135，使得一个声音出口135对应于多个振动体110_k中的每个，并且被布置成面向对应的多个振动体110_k。
未特别限制声音入口134和声音出口135中的每个的尺寸和形状，只要声音入口134和声音出口135可以以相同的程度暴露出多个振动体110_k即可。
为了形成声音入口134和声音出口135，可以使用壳体130，所述壳体130具有形成在其中的与声音入口134和声音出口135的形状相对应的开口。
壳体130可以由能够阻挡声音的各种材料中的任何一种形成，例如铝。声音入口134和声音出口135不限于所示的形状。
在壳体130内部，支撑件120可以布置成支撑多个振动体110_k并且提供多个振动体110_k对声音作出反应并进行振动的空间。可以通过在基板中形成通孔TH来提供支撑件120，如图1所示。多个振动体110_k被布置为使得在其端部处由被支撑件120支撑并且面向通孔TH。通孔TH提供多个振动体110_k因外力而进行振动的空间，并且通孔TH的形状或尺寸不受特别限制，只要通孔TH提供这样的空间即可。可以使用诸如硅基板等之类的各种材料中的任何一种来形成支撑件120。如所示示例实施例中所示，支撑件120和壳体可以是例如通过半导体微机电系统(MEM)工艺制造的单独的元件。备选地，支撑件120和壳体130可以制造为单个单元。
如图3A和图3B所示，每个振动体110_k可以包括固定在支撑件120上的固定部分10、响应于信号而移动的移动部分30、以及感测移动部分30的移动的感测部分20。振动体110_k还可以包括质量体40，用于向移动部分30提供质量m。
移动部分30可以包括弹性膜。弹性膜可以具有长度L和宽度W，其与质量体40的质量m一起可以是确定振动体110_k的谐振特性的因子。弹性膜可以包括诸如硅、金属、聚合物等之类的材料。
感测部分20可以包括用于感测移动部分30的移动的传感器层。感测部分20可以包括压电元件，并且在这种情况下，可以具有包括电极层、压电材料层和电极层的堆叠结构。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-T rFE)、氮化铝(A1N)、铌酸铅镁-钛酸铅(PMN-PT)等。对于电极层，可以使用金属材料或任何各种其他导电材料。
可以基于每个振动体110_k的期望谐振频率来确定多个振动体110_k中的每个的详细尺寸，例如宽度、厚度等。例如，每个振动体110_k可以具有但不限于大约几微米到大约几百微米的宽度、大约几微米或更小的厚度、以及大约几毫米或更短的长度。具有这种微小尺寸的振动体110_k可以通过微机电系统(MEMS)工艺制造。
振动体(例如，振动体110_k)响应于外部信号沿着方向z上下振动，并产生与位移z成比例的输出，该位移是振动体在z方向上的位移。位移z遵循以下运动方程：
其中c表示阻尼系数，k表示弹性系数，并且F0cosωt表示驱动力，并且指示振动体110_k接收的信号进行的动作。值k由移动部分30的物理属性和形状确定。
振动体110_k示出了具有以谐振频率f0为中心的特定带宽的频率响应特性。
中心频率f0如下给出。
这样，定向声学传感器100中包括的多个振动体110_k可以感测以所设计的中心频率为中心的特定频带中的频率。因此，当确定中心频率时，可以针对给定环境选择具有高可用性的频带，并且可以实现具有适合于该频带的形状和物理属性的多个振动体110_k。
在根据示例实施例的定向声学传感器100中，设置在各个位置的多个振动体110_k都具有相同的长度和相同的谐振频率。然而，可以修改多个振动体110_k以具有不同的谐振频率，而不限于该示例。
在根据示例实施例的定向声学传感器100中，在多个振动体110_k中，被置于接收定向声音的路径上的一个或多个振动体110_k响应于声音而振动。例如，如图2所示，当沿路径(1)接收到声音时，被置于该路径①上的振动体110_1以及与其相邻的一个或多个振动体会振动。当沿路径②接收到声音时，被置于路径②上的振动体110_9以及与其相邻的一个或多个振动体会振动。这样，可以基于根据接收到的声音的方向选择性地对声音作出反应的振动体110_k的位置和输出来检测接收到的声音的方向。
图4示出了图1的定向声学传感器中包括的多个振动体中的一些，示出了定向增益曲线。
参考图4，多个振动体A、B和C中的每个是声学传感器，在以声音入口134为中心的圆的径向方向上具有方向角。每个声学传感器的定向增益曲线具有8字形式。根据该定向增益曲线，定向声学传感器100具有通过叠加振动体110_k的输出而形成的输出，该振动体110_k选择性地对沿着所有方向接收的信号作出反应。
同时，每个振动体110_k根据振动体110_k的布置位置具有作为主方向的优选角度，并且在主方向上以较大程度贡献声音，并且在主方向以外的方向上以较小程度贡献声音。因此，对于任何接收到的声音，通过简单地比较多个振动体110_k中的每个的输出的幅度，可以估计接收到的声音的方向，并且对于附近存在的多个声源同时映射也是可能的。以这种方式，定向声学传感器100可以估计附近的全方向声源分布。
图5示出了由图1的定向声学传感器感测的关于位于多个方向上的声源的声源分布图。
可以估计声源分布图，这是因为对于位于三个方向上的声源1、2和3，具有指向每个声源1、2和3的主方向的振动体的输出对于来自该声源的声音的检测贡献最大。
在下文中，将参照图6至图8描述根据定向声学传感器100中包括的多个振动体中的每个振动体的输出找出声音方向的方法。
图6示出了图1的定向声学传感器中包括的两个振动体，在极坐标中示出了各个振动体的定向增益曲线，图7在正交坐标中示出了图6的定向增益曲线，并且图8是根据图7的定向增益曲线计算的用于估计接收到的声音的方向的匹配图。
参考用实线指示的振动体A的定向增益曲线，振动体A示出了在大约+45°方向上的声音的最大输出，并且示出了在大约-45°方向上的声音的最小输出。
参考用虚线指示的振动体B的定向增益曲线，振动体B示出了在大约-45°方向上的声音的最大输出，并且示出了在大约45°方向上的声音的最小输出。
参考图7，当振动体A的输出和振动体B的输出彼此相等时，声音的方向约为0°。备选地，声音的方向可以是大约180°。然而，如在下面讨论的图17中所示，当声音方向为0°时的增益可能与声音方向为180°时的增益略有不同。当振动体A的输出大于振动体B的输出时，声音的方向大于约0°；当振动体A的输出小于振动体B的输出时，声音的方向小于约0°。当振动体A的输出小于振动体B的输出时，输出之间的差由负号(减号)表示；当振动体A的输出大于振动体B的输出时，该差由正号(加号)表示，其中负号和正号分别对应于负角度和正角度。
对于在方向①上接收的声音，振动体B的输出V3大于振动体A的输出V2。当方向①是角度α时，两个振动体A和B之间的输出差-a由负号指示，并且角度d一对一彼此匹配。
对于在方向②上接收的声音，振动体A的输出V4大于振动体B的输出V1。当方向②是角度β时，两个振动体A和B之间的输出差+b由正号指示，并且角度β一对一彼此匹配。
以这种方式，对于在振动体A的位置和振动体B的位置之间的方向上接收的声音，指示(振动体A的输出-振动体B的输出)一对一匹配角的值在约-45°与约45°之间。
图8是指示这种匹配的图，其中纵轴指示振动体A的输出-振动体B的输出。一旦设定了匹配图，针对在振动体A的位置和振动体B的位置之间的方向上接收的声音，计算振动体A的输出-振动体B的输出，以找出接收到的声音的方向。
匹配图示出了任意位置的两个振动体间的输出差与接收到的声音的方向之间的关系，并且可以设置多个匹配图，通过使用所述匹配图可以找出从任意方向接收的声音的方向。
图9是示意性地示出了根据示例实施例的检测声音方向的方法的流程图。
首先，在操作S160中，提供包括多个振动体的振动体阵列，所述多个振动体被布置成使得所述多个振动体中的一个或多个振动体根据接收到的声音的方向选择性地对接收到的声音作出反应。
可以如参考图1所述配置振动体阵列。然而，不限于该配置，可以使用各种配置中的任何配置，其中多个振动体被布置成使得多个振动体中的一个或多个振动体根据接收到的声音的方向对接收到的声音作出反应。也可以使用将参考图10描述的根据各种实施例的定向声学传感器。
接下来，在操作S170中，针对所提供的振动体阵列，设置用于基于多个振动体中的每个的输出来估计接收到的声音的方向的匹配图。
为了设置匹配图，可以使用上面参考图6至图8描述的方法。可以设置多个匹配图，其指示振动体阵列中包括的两个任意振动体间的振幅差与接收到的声音的方向之间的关系。
一旦设置了匹配图并且接收到作为方向检测目标的目标声音，则在操作S180中，将对接收到的目标声音作出反应的一个或多个振动体的振幅与匹配图相互比较，从而确定目标声音的方向。
图10是示出了根据另一示例实施例的定向声学传感器的结构的平面图，并且图11是沿线A-A’截取的图10的定向声学传感器的截面图。
定向声学传感器101可以包括：声音入口134，通过其接收声音；声音出口137，通过其输出通过声音入口134接收的声音；以及多个振动体110_k，被布置在声音入口134与声音出口137之间。本文中，当多个振动体110_k的数量是N时，k是从1到N的整数。
根据当前示例实施例的定向声学传感器101与定向声学传感器100的不同之处在于声音出口137的形状，而定向声学传感器101的其他元件与定向声学传感器100的其他元件基本相同。
并不针对多个振动体110_k中的每个单独设置声音出口137；相反，在多个振动体110_k之间共享一个声音出口137。声音出口137面向多个振动体110_k的所有振动体，并且其所示尺寸是示例，并且声音出口137的尺寸可以小于所示尺寸。
为了形成声音入口134和声音出口137，可以使用壳体131，所述壳体130具有形成在其中的与声音入口134和声音出口137的形状相对应的开口。
可以不指定声音出口137的尺寸。例如，相对于多个振动体110_k与声音入口134相对的空间可以是完全打开的。以这种方式打开的空间可以用作声音出口137。
在下文中，参考图12至图20，将描述根据示例实施例的定向声学传感器的性能。
图12示出了用于将根据示例实施例的定向声学传感器与根据比较示例的定向声学传感器在性能方面进行比较的实验装置。
根据比较示例1的定向声学传感器包括彼此间隔开30mm的距离的两个麦克风70，并且根据比较示例2的定向声学传感器包括彼此间隔开150mm的距离的两个麦克风70。
根据示例实施例的定向声学传感器是如参考图10所述的定向声学传感器101，整体尺寸约为10mm。
通过使用移动扬声器作为定向声源，相对于扬声器的角度观察了由每个定向声学传感器接收的输出。
图13是根据比较示例1的两个麦克风相对于声源方向的变化的输出图，图14是根据比较示例2的两个麦克风相对于声源方向的变化的输出图，并且图15是根据示例实施例的两个振动体相对于声源方向的变化的输出图。
使用彼此间隔开的两个麦克风的根据比较示例的定向声学传感器通过使用声音到达每个麦克风的时间差来计算接收到的声音的方向。在这种情况下，两个麦克风之间的距离越长，越容易检测时间差，并且提高方向感测灵敏度。
在图13和图14所示的曲线图中，d1和d2分别指示根据比较示例1和2的定向声学传感器中包括的两个麦克风之间的最大/最小输出差。在图15中所示的图中，d3指示根据示例实施例的定向声学传感器中包括的两个麦克风之间的最大/最小输出差。
在两个麦克风之间的距离较长的比较示例2中，表现出高对比度和高方向感测灵敏度。在根据示例性实施例的定向声学传感器中，呈现出与比较示例2的对比度相比较高的对比度。该结果表明，即使当根据示例实施例的定向声学传感器具有比根据比较示例2的定向声学传感器小得多的10mm的尺寸时，根据示例实施例的定向声学传感器也提供比根据比较示例2的定向声学传感器更高的感测灵敏度。
图16示出了用于测试根据示例实施例的定向声学传感器可以估计声音的位置的实验装置。
根据示例实施例的定向声学传感器102包括64个振动体，从而形成64个声道。用作定向声源的移动扬声器围绕定向声学传感器102旋转360°，并且在64个声道中，选择四个声道ch09、ch24、ch41和ch56来观察输出。
图17是根据示例实施例的四个振动体相对于声源方向的变化的输出图。
根据图16的示例实施例，声道ch09定向为45°，声道ch24定向为135°，声道ch41定向为-135°，声道ch56定向为-45°。可见，当声音的入射角对应于对应振动体的主轴时，形成四个所选声道的振动体总体上形成最大输出。在这方面，即使仅使用四个振动体，也可以进行全方向的声音方向估计。
图18是将基于来自多个振动体的输出而估计的声音方向与实际声音方向进行比较的图，所述多个振动体包括在根据示例性实施例的定向声学传感器中。
在该图中，声道特定标记包括：沿竖直轴的测量值，其指示与64个声道中示出最大输出的声道相对应的振动体的主轴；以及沿水平轴的实际值，其指示声音的接收方向。
实线是将测量值与实际值匹配的直线，并且声道特定标记几乎与直线匹配。在这方面，可见，根据示例实施例的利用64个声道实现的定向声学传感器几乎100％准确地估计从每个方向接收的声音的方向。
图19示出了用于将根据示例实施例的定向声学传感器与根据比较示例的定向声学传感器在性能方面进行比较的另一实验装置，并且图20是将由根据示例实施例的定向声学传感器感测的声音信号和由根据比较示例的定向声学传感器感测的声音信号与来自声源的声音信号进行比较的视图。
根据比较示例1的定向声学传感器包括彼此间隔开30mm的距离的两个麦克风70，并且根据比较示例2的定向声学传感器包括彼此间隔开150mm的距离的两个麦克风70。
根据示例实施例的定向声学传感器是如参考图10所述的定向声学传感器101，整体尺寸约为10mm。
作为对在不同方向上接收不同类型的声源的情况的测试，左扬声器输出音乐而右扬声器输出语音。
以这种方式，当定向声学传感器从不同方向接收到不同类型的声音时，已经观察到由每个定向声学传感器接收的输出。
参考图20，在根据比较示例1和2的定向声学传感器中，将来自两个方向的声音混合，使得不同声源的方向难以彼此区分。
另一方面，在根据示例实施例的定向声学传感器中，位于不同方向上的两个振动体A和B中示出了与不同类型的声源相对应的输出。在这方面，可见，当从不同方向接收不同类型的声音时，根据示例实施例的定向声学传感器可以用作对接收到的声音进行分离和记录的元件。
图21是例示了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图。
定向声学传感器103可以包括多个子组SG_1、SG_2、SG_3和SG_4。可以通过将具有相邻方向的振动体分组为预定数量的振动体以表示不同的方向来形成多个子组SG_1、SG_2、SG_3和SG_4。例如，第一至第四子组SG_1、SG_2、SG_3和SG_4可以表示方向，所示方向的每两个相邻方向具有大约90°的差值。
根据当前示例实施例的定向声学传感器103与上述实施例的不同之处在于，定向声学传感器103包括具有不同谐振频率的振动体110_1_k、110_2_k、110_3_k和110_4_k。例如，取而代之，64个振动体具有同一谐振频率，如图16所示，64个振动体被分组成子组，以通过改变其长度而具有在特定范围内的频率，使得一组中的振动体的信号被整合和使用。如图所示，定向声学传感器103被实现为具有四个子组的设备，使得定向声学传感器103具有四个物理方向而不是64个方向，并且每组中的频带被扩展到整个可听频带而不是单个谐振频带。
在下文中，将侧重于差异进行描述。
第一子组SG_1包括沿着圆周在大约90°的中心角范围内布置的多个振动体110_1_k，第二子组SG_2包括沿着圆周在大约90°的下一中心角范围内布置的多个振动体110_2_k，并且第三子组SG_3包括沿着圆周在大约90°的下一中心角范围内布置的多个振动体110_3_k，并且第四子组SG_4包括沿着圆周在90°的下一中心角范围内布置的多个振动体110_4_k。
对于第i个子组SG_i(i是从1到4的整数)中包括的振动体110_i_k(k是从1到N的整数)，其谐振频率被设置为使得感测在预定频率范围Δf内的声音。可以基于第i个子组SG_i中包括的振动体110_i_k的数量N和频率范围Δf来设置相邻振动体110_i_k之间的谐振频率间隔。
每个子组SG_i中包括的多个振动体110_i_k可以按照谐振频率的幅度的升序布置。按照幅度顺序进行布置的方向对于多个子组SG_i可以是相同的。例如，如图所示，在每个子组SG_i中，振动体110_i_k可以按照振动体110_i_k的长度沿顺时针方向逐渐增加的顺序布置。然而，不限于该示例，振动体110_i_k可以按照振动体110_i_k的长度沿逆时针方向逐渐增加的顺序布置，或者振动体110_i_k可以沿顺时针方向布置在一些子组SG_i中，并且沿逆时针方向布置在其他子组SG_j(j≠i)中。
如上所述，已经通过图16和图17所示的实验证实，可以通过布置四个振动体将所有方向区分为四个方向实现相对准确的方向感测，并且考虑到这一点，根据当前实施例的定向声学传感器103可以很好地检测接收到的声音的方向，并且通过使用具有各种谐振频率的多个振动体110_i_k，与包括具有相同谐振频率的振动体110_k的定向声学传感器100、101和102相比，可以检测到较宽频带中的信号。
图22是示出了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图。
定向声学传感器104与图21的定向声学传感器103不同之处在于，振动体被分组为8组，而定向声学传感器104的其他元件与定向声学传感器103的其他元件基本相同。
定向声学传感器104被配置为使得8个子组SG_i(i是1到8的整数)表示方向，所述方向中每两个相邻方向具有大约45°的差值。在每个子组SG_i中，布置具有不同谐振频率的振动体110_i_j。
与图21的定向声学传感器103相比，这种定向声学传感器104具有较高的角分辨率，但较窄的可感测频率带宽。在这方面，可以针对要使用定向声学传感器的环境适当地设置子组的数量。
图23是示出了根据另一示例实施例的定向声学传感器的示意性结构的平面图。
根据当前实施例的定向声学传感器105与图22的定向声学传感器104不同之处在于，相邻子组SG_i(i是从1到8的整数)中的多个振动体110_i_j以谐振频率的幅度的降序布置。也就是说，在一些子组中，例如子组SG_1、SG_3、SG_5和SG_7，振动体110_i_j可以按照振动体110_i_j的长度沿顺时针方向增加的顺序布置，并且在其他子组SG_2、SG_4、SG_6和SG_8中，振动体110_i_j可以按照振动体110_i_j的长度沿逆时针方向增加的顺序布置。
在包括具有不同谐振频率的振动体的定向声学传感器103、104和105的描述中，已经描述了振动体布置的若干示例，但是振动体布置不限于这些示例。在每个子组中，振动体之间的布置间隔(例如，频率间隔或空间间隔)可以不相同，并且例如，可以应用考虑相邻振动体之间的耦合的各种布置方案。
根据前述实施例的定向声学传感器可以用在各种电子设备中。定向声学传感器可以被实现为芯片解决方案形式的传感器，可以在移动设备、互联网技术(IT)设备、车辆等的领域中执行声源跟踪、噪声消除、空间记录等，也可以应用于全景拍摄、增强现实、虚拟现实等领域。
根据图21、图22和图23的示例实施例的定向声学传感器均包括具有不同相应谐振频率的不同长度的振动体。备选地，定向声学传感器的振动体可以具有不同的厚度、宽度或重量，由此实现具有不同的相应谐振频率的振动体。此外，根据所示的示例实施例，振动体被布置成极对称的。然而，振动体可以替代地非对称地布置，例如以便朝向特定方向加权。
将描述使用根据示例实施例的定向声学传感器的电子设备。
图24是示出了根据示例实施例的物联网(IoT)设备的示意性结构的框图，并且图25示出了将图24的IoT、设备应用于日常生活的操作。
IoT设备200可以包括：定向声学传感器210，接收由用户提供的语音信号；存储器230，其中存储将接收到的信号用作输入变量的一个或多个应用模块232；以及处理器220，执行应用模块232。IoT设备200还可以包括通信单元250。
IoT设备200还可以包括能够旋转或移动的可移动设备240。可以基于使用定向声学传感器210接收的信号作为输入变量执行应用模块232的执行结果，控制可移动设备240按照特定方向旋转或移动。旋转或移动的方向可以是指向或远离定向声学传感器210感测到的声音方向的方向。可移动设备240可以被实现为具有能够向用户输出应用模块232的执行结果的输出功能。可移动设备240可以是输出设备，例如扬声器或显示器。
定向声学传感器210可以是根据前述示例实施例的定向声学传感器100、101、102、103、104和105中的任何一个或其修改或组合结构。
处理器220控制IoT设备200的整体操作。处理器220控制定向声学传感器210、扬声器240和通信单元250的操作，使用相关控制信号，并执行存储器230中存储的程序。
存储器230可以包括：可移动设备控制模块234，被编程为基于控制信号在特定方向上旋转或移动可移动设备240。可移动设备控制模块234考虑定向声学传感器210感测到的信号或者与该信号关联的应用的执行结果，控制可移动设备240在朝向或远离定向声学传感器210感测到的声音方向的方向上旋转或移动。然而，这仅是示例，并且可移动设备的各种方向可以基于反映定向声学传感器210感测到的信号的应用执行结果。
存储器230还可以包括：学习模块236，被编程为结合方向，学习定向声学传感器200接收到的信号是否是有效的接收信号。学习模块236可以重复地生成和累积定向声学传感器200感测到的声音的方向以及确定该信号是否是有效信号的结果作为训练数据，并从累积的训练数据中提取统计特征，由此处理从特定方向接收的声音作为无效信号。
存储器230还可以存储处理器220控制IoT设备200的整体操作所需的各种程序和数据中的任何一种。
存储器230可以包括以下至少一种类型的存储介质：闪存类型、硬盘类型、多媒体卡微型类型和卡式存储器(例如，安全数字(SD)或极速数字(XD)存储器等)、随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁存储器、磁盘、光盘等。
通信单元250可以通过使用蓝牙通信、蓝牙低功耗(BLE)通信、近场通信(NFC)、无线局域网(WLAN)(例如，无线保真(WiFi))通信、Zigbee通信、红外数据协会(IrDA)通信、WiFi直连(WFD)、超宽带(UWB)通信、Ant+通信、WiFi通信等与外部设备进行通信。
参考图25，IoT设备200中包括的可移动设备240被示为可旋转扬声器。在以下描述中，扬声器将被描述为可移动设备240的示例，但是可移动设备240不限于该示例。IoT设备200确定接收到的声音信号S1和S2的方向，并使扬声器朝向所确定的方向旋转。
IoT设备200识别接收到的声音信号S1和S2中的有效信号。例如，IoT设备200可以将来自用户U的声音信号S1与来自不是用户的声源NU的声音信号S2相区分。结合接收到的声音的方向，基于对接收到的信号是否是与有效信号的学习，这种区分是可能的。因此，例如，在IoT设备200确定从诸如TV之类的固定位置的方向连续地接收到无效信号之后，扬声器可以在接收到的声音信号S1和S2中的有效信号S2的方向上旋转，并且可以执行与信号S2相关的应用。
IoT设备200可以用作人工智能(AI)扬声器，并且可以与各种设备中的任何设备结合使用，从而改善对设备功能的利用。
图26是示出了根据示例实施例的车辆语音接口设备的示意性配置的框图，并且图27示出了将根据示例实施例的车辆语音接口设备应用于车辆的操作。
车辆语音接口设备300可以包括定向声学传感器310和有效信号提取模块350。有效信号提取模块350可以包括存储用于处理有效信号提取的程序的存储器，以及执行该程序的处理器。
定向声学传感器310可以是根据前述实施例的定向声学传感器100、101、102、103、104和105中的任何一个或其修改或组合结构。
有效信号提取模块350基于信号的方向确定定向声学传感器310接收的信号是否是有效信号，并且当该信号是有效信号时向车辆控制模块传送该信号。在从各个方向接收的声音中，有效信号提取模块350将从除驾驶员方向之外的方向接收的声音信号作为噪声消除，并向车辆控制模块传送接收到的声音。
参考图27，车辆400中包括的定向声学传感器310感测来自驾驶员DR的声音信号S1和来自乘客PA的声音信号S2、S3和S4。定向声学传感器310识别接收到的声音信号的方向，并向有效信号提取模块350传送感测结果。有效信号提取模块350仅向车辆控制模块420传送来自驾驶员DR的声音信号S1。
图28是示出了根据示例实施例的空间记录设备的示意性配置的框图。
空间记录设备500可以包括：定向声学传感器510、分析定向声学传感器510感测到的信号并确定定向声学传感器510接收到的声音的方向的处理器520、以及其中存储用于由处理器520进行的信号处理的程序和处理器520的执行结果的存储器530。
定向声学传感器510可以是根据前述示例实施例的定向声学传感器100、101、102、103、104和105中的任何一个或其修改或组合结构。定向声学传感器510结合方向记录附近声音。定向声学传感器510以高分辨率估计接收的声音方向。
空间记录设备500通过使用接收的声音方向的估计结果来执行记录、聚焦于或选择仅期望的声源。
空间记录设备500还可以包括多声道扬声器550，以针对方向适当地播放所记录的声音。处理器510控制多声道扬声器550，使得可以适当地向一方向播放存储器530中存储的声音信号。通过针对方向适当地播放所记录的声源，可以增强记录内容的真实感，并且可以改善沉浸感和现实感。
空间记录设备500可以用在增强现实(AR)或虚拟现实(VR)设备中。
图29是示出了根据示例实施例的全向相机的示意性结构的框图。
全向相机600能够针对全方向放置的对象进行全景拍摄。全向相机600可以包括：定向声学传感器610；全向拍摄模块640；处理器620，控制定向声学传感器610和全向拍摄模块640，使得由定向声学传感器610感测的定向声音信号与全向拍摄模块640捕捉的全景图像信号相匹配；以及存储器630，存储定向声音信号和全向图像信号。
典型的全景拍摄模块可以用作全向拍摄模块640，并且全向拍摄模块640可以采用在能够旋转360度的主体中包括光学镜头、图像传感器等的形式。
定向声学传感器610可以是根据前述示例实施例的定向声学传感器100、101、102、103、104和105中的任何一个或其修改或组合结构，并且可以感测所有方向上的声音并识别方向。
在处理器620的控制下，在定向声学传感器610感测到的信号中，在与全向拍摄模块640的拍摄方向相对应的方向上的声音可以被选择性地存储在存储器630中。以这种方式，通过全向相机600，360°全景图像信号以及与360°全景图像信号匹配的声音信号可以存储在存储器630中。这样的图像/声音信息由包括多声道扬声器的显示设备播放，并最大化真实感，并且适用于AR/VR设备。
根据示例实施例的电子设备可以包括：处理器；存储器，用于存储程序数据并执行；永久存储装置，例如磁盘驱动器；通信端口，用于与外部设备进行通信；以及用户接口设备，例如触摸面板、按键、按钮等。
在根据上述示例实施例的电子设备中利用软件模块或算法实现的方法可以作为处理器上可执行的计算机可读代码或程序指令被存储在计算机可读记录介质上。计算机可读记录介质的示例可以包括磁存储介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、软盘、硬盘等)和光学介质(例如，光盘-ROM(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)等)。计算机可读记录介质可以分布在联网的计算机系统上，使得按照分布方式存储和执行计算机可读代码。介质可以被计算机读取、存储在存储器中，并被处理器执行。
根据示例实施例的定向声学传感器具有一个小尺寸传感器结构，其包括对不同方向作出反应的多个振动体，并且可以以高分辨率识别接收到的声音的方向。
根据示例实施例的定向声学传感器可以包括具有不同谐振频率的多个振动体，并且在这种情况下，可以适当地设置和使用适于环境的频率带宽和方向的分辨率。
根据示例实施例的定向声学传感器适用于使用感测到的定向声音的各种电子设备。
虽然已经结合示例实施例示出和描述了定向声学传感器和包括该定向声学传感器的电子设备，但是对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。因此，所公开的示例实施例应该被认为是说明性的而不是限制性的。说明书的范围将在所附权利要求中，并且应当理解在其等效范围内的所有差异都包括在本说明书中。

Claims (23)

1.一种定向声学传感器，包括：
声音入口，通过所述声音入口接收声音；
声音出口，通过所述声音出口输出通过所述声音入口接收的声音，其中所述声音出口设置在所述声音入口下方；以及
多个振动体，布置在所述声音入口与所述声音出口之间，其中所述多个振动体中的一个或多个振动体根据接收到的声音的方向选择性地对通过所述声音入口接收的声音作出反应，
其中所述声音出口包括分别对应于所述多个振动体的多个声音出口，所述多个声音出口中的每一个在竖直方向上与所述多个振动体中对应的振动体重叠。
2.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述多个振动体以阵列布置在单个平面上，所述阵列围绕所述平面上的中心点，其中所述中心点在竖直方向上与所述声音入口的中心对齐。
3.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中所述阵列相对于所述中心点对称。
4.根据权利要求3所述的定向声学传感器，其中所述多个振动体径向布置成使得所述阵列具有圆形、椭圆形和多边形中的一种形状。
5.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述多个振动体中的每个振动体具有相同的谐振频率。
6.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述多个振动体包括至少第一振动体和第二振动体，所述第一振动体具有第一谐振频率，所述第二振动体具有与所述第一谐振频率不同的第二谐振频率。
7.根据权利要求6所述的定向声学传感器，
其中所述多个振动体被分组为多个子组，每个子组沿不同的方向取向；并且
其中所述多个子组中的每个子组包括多个振动体，所述多个振动体包括第一振动体和第二振动体，所述第一振动体具有第一谐振频率，所述第二振动体具有与所述第一谐振频率不同的第二谐振频率。
8.根据权利要求7所述的定向声学传感器，其中所述多个子组中的每个子组的所述多个振动体按照谐振频率的幅度的顺序布置。
9.根据权利要求8所述的定向声学传感器，其中所述多个子组中相邻的子组包括按照谐振频率的幅度的相反顺序布置的多个振动体。
10.根据权利要求7所述的定向声学传感器，其中所述多个子组被布置成使得相对于所述多个振动体的布置中心点彼此对称布置的振动体具有相同的谐振频率。
11.一种检测声音方向的方法，所述方法包括：
提供包括多个振动体的振动体阵列，所述多个振动体被布置成使得所述多个振动体中的一个或多个振动体基于接收到的声音的方向选择性地对接收到的声音作出反应；
提供输出所述接收到的声音的声音出口，所述声音出口包括分别对应于所述多个振动体的多个声音出口，所述多个声音出口中的每一个在竖直方向上与所述多个振动体中对应的振动体重叠；以及
当目标声音被接收到所述振动体阵列时，通过将所述多个振动体的输出相互比较来估计所述目标声音的声源分布图。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：设置匹配图，所述匹配图用于基于所述多个振动体中的每个振动体的输出来估计接收到的声音的方向，
其中估计接收到的声音的方向包括：通过将对所述目标声音作出反应的一个或多个振动体的振幅与所述匹配图进行比较来确定所述目标声音的方向。
13.根据权利要求12所述的方法，其中设置所述匹配图包括：设置多个匹配图，所述多个匹配图指示所述振动体阵列中包括的两个振动体间的振幅差与接收到的声音的方向之间的关系。
14.一种物联网IoT设备，包括：
根据权利要求1所述的定向声学传感器，被配置为接收用户提供的语音信号；
存储器，在所述存储器中存储应用模块；以及
处理器，被配置为执行所述应用模块。
15.根据权利要求14所述的IoT设备，还包括：
可移动设备；以及
控制模块，被配置为基于使用所述定向声学传感器接收到的信号作为输入变量而执行的所述应用模块的执行结果，沿特定方向移动所述可移动设备。
16.根据权利要求15所述的IoT设备，其中所述可移动设备包括：输出设备，被配置为输出所述应用模块的执行结果。
17.根据权利要求14所述的IoT设备，还包括：学习模块，被配置为结合方向，学习所述定向声学传感器接收到的声音信号是否是有效声音信号。
18.一种车辆语音接口设备，包括：
根据权利要求1所述的定向声学传感器；以及
有效信号提取模块，被配置为基于所述定向声学传感器接收到的声音信号的方向来确定所述声音信号是否是有效声音信号，并且当所述声音信号是有效声音信号时向车辆控制模块传送所述声音信号。
19.根据权利要求18所述的车辆语音接口设备，其中所述有效信号提取模块还被配置为将具有与驾驶员的方向不同的方向的声音信号作为噪声而消除，并且向所述车辆控制模块传送经噪声消除的声音信号。
20.一种空间记录设备，包括：
根据权利要求1所述的定向声学传感器；
处理器，被配置为通过分析所述定向声学传感器感测到的声音信号来确定所述定向声学传感器感测到的声音信号的方向；以及
存储器，在所述存储器中存储用于所述处理器进行的信号处理的程序以及所述处理器的执行结果。
21.根据权利要求20所述的空间记录设备，还包括多声道扬声器，
其中所述处理器还被配置为控制所述多声道扬声器，使得适当地向一方向播放所述存储器中存储的音频信号。
22.一种全向相机，包括：
根据权利要求1所述的定向声学传感器；
全向拍摄模块；
处理器，被配置为控制所述定向声学传感器和所述全向拍摄模块，使得所述定向声学传感器感测到的定向声音信号与所述全向拍摄模块捕获的全景图像信号彼此匹配；以及
存储器，在所述存储器中存储所述定向声音信号和所述全景图像信号。
23.一种定向声学传感器，包括：
壳体；
输入开口，形成在所述壳体上侧中；
输出开口，形成在所述壳体下侧中；以及
阵列，包括设置在所述壳体内所述输入开口与所述输出开口之间的多个振动体，
其中所述输出开口包括分别对应于所述多个振动体的多个输出开口，所述多个输出开口中的每一个在竖直方向上与所述多个振动体中对应的振动体重叠。
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