CN110095178A - 一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法 - Google Patents

一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法 Download PDF

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Abstract

一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法，属于微声探测领域，解决了现有的电容式微声探测器的声强探测下限较高和基于现有的音频信号处理方法，无法同时对微声探测器探测到的声源进行识别和定位的问题。所述装置采用基于石墨烯薄膜的微声感受单元来感受声压。所述方法包括分离音频信号中的噪声信号、并对该音频信号中的音频特征信息和声源位置信息提取、将包含音频特征信息和声源位置信息的音频信号与信号存储单元中预存的多个目标声源进行比对，并判断是否有与之匹配的目标声源和根据所述声源位置信息定位该声源的步骤。本发明适用于微声探测及对探测到的声源进行识别和定位。

Description

一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理 方法
本申请为申请日为2016年08月31日、申请号为201610793786.6、名称为“一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及微声探测领域，具体涉及一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法。
背景技术
微声探测器在国防领域和民用领域都有着广泛的应用。近年来，微声探测器的应用领域对微声探测器的声强探测下限的要求也越来越高。而现有的电容式微声探测器的声强探测下限较高，已经无法满足其应用领域对声强探测下限的要求。
另外，根据现有的音频信号处理方法，微声探测器无法同时对所探测到的声源进行识别和定位。
发明内容
本发明为解决现有的电容式微声探测器的声强探测下限较高的问题，提出了一种微声探测分析装置；为解决根据现有的音频信号处理方法，微声探测器无法同时对所探测到的声源进行识别和定位的问题，提出了一种阵列音频信号处理方法。
本发明所述的一种微声探测分析装置包括微声传感阵列1、信号处理单元2、信号存储单元3和信号分析单元4；
所述微声传感阵列1包括多个微声传感器；
所述微声传感器用于将声音信号转化为电信号，并将该电信号发送至信号处理单元2；
所述微声传感器包括微声感受单元，所述微声感受单元包括石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜用于感受声压；
所述信号处理单元2用于处理微声传感器发来的电信号，并将包含音频特征信息和声源位置信息的电信号发送至信号分析单元4；
所述信号存储单元3预存有多个目标声源的音频特征信息；
所述信号分析单元4用于将信号处理单元2发来的电信号与所述多个目标声源进行比对，当发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
所述信号分析单元4还用于根据信号处理单元2发来的电信号所包含的声源位置信息，定位该声源。
优选的是，所述微声传感器还包括激光器5和感光元件6；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板上设置有通孔，所述石墨烯薄膜8固定设置在基板7上，并覆盖所述通孔的一端；
由激光器5发射的激光经所述通孔的另一端入射至石墨烯薄膜8，并经石墨烯薄膜8的折射，入射至所述感光元件6的感光面；
所述感光元件6与信号处理单元2相连。
优选的是，所述微声传感器还包括第一永磁体9和第二永磁体10；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板上设置有通孔11，所述石墨烯薄膜8固定设置在基板7上，并覆盖所述通孔11的一端；
所述第一永磁体9和第二永磁体10均设置在基板7上，第一永磁体9和第二永磁体10之间形成耦合磁场；
当所述石墨烯薄膜8受到声压而振动时，能够切割所述磁场，并产生电信号；
所述信号处理单元2接收该电信号。
优选的是，所述微声传感器还包括导电隔板12、电池13和电阻14；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板7上设置有通孔，所述石墨烯薄膜8和导电隔板12均固定设置在基板7上，分别覆盖所述通孔的两端，并构成平行板电容；
所述平行板电容、电池13、电阻14和信号处理单元2串联，并构成电气回路。
优选的是，所述石墨烯薄膜8与所述通孔的一端的端面之间存在空隙。
可选的是，所述微声感受单元呈直线分布、平面分布、弧线分布或弧面分布。
可选的是，将所述石墨烯薄膜8替换为氧化石墨烯薄膜。
本发明所述的阵列音频信号处理方法基于所述微声探测分析装置实现，在实施所述信号处理方法之前需实施：
步骤一、根据声源的位置选择微声传感阵列1中微声感受单元的分布模式，并保证微声传感阵列的音频信号传输通道的一致性；
所述音频信号为微声传感器发给信号处理单元2的电信号；
所述分布模式包括直线分布、平面分布、弧线分布和弧面分布；
步骤二、选择微声传感阵列1的工作模式，对干扰方向进行估计，并抑制干扰；
所述工作模式包括监视模式和跟踪模式；
所述监视模式又包括指定方向监视模式和全方向监视模式；
所述信号处理方法包括：
步骤三、筛选出噪声信号可分离的音频信号，并分离该音频信号中的噪声信号；
步骤四、对分离了噪声信号的音频信号进行音频特征信息的提取；
步骤五、对分离了噪声信号的音频信号进行声源位置信息的提取；
步骤六、将包含音频特征信息和声源位置信息的音频信号与信号存储单元3中预存的多个目标声源进行比对，当发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
步骤七、根据步骤六中的音频信号所包含的声源位置信息定位该声源。
本发明所述的一种微声探测分析装置，采用基于石墨烯薄膜的微声感受单元来感受声压。石墨烯薄膜拥有极小的厚度，最薄能够达到原子量级，在同等面积下，石墨烯薄膜的质量远远小于其他材质的声压膜。石墨烯薄膜中所有的共价键都是沿薄膜面内分布的，因此石墨烯薄膜拥有极小的面外弯曲刚度。因声压造成的石墨烯薄膜的面外弯曲振动几乎没有阻尼，因此，石墨烯薄膜能够感受极小单位的声压，而声强与声压的平方成正比，由此，本发明所述的一种微声探测分析装置的声强探测下限低，能够解决现有的电容式微声探测器的声强探测下限较高的问题。
本发明所述的阵列音频信号处理方法，在所述信号处理方法之前实施的步骤一使得微声感受单元的分布模式与声源的位置匹配，并保证了微声传感阵列输出的音频信号的同步。步骤二通过选择微声传感阵列的工作模式来最大限度地抑制干扰。所述信号处理方法通过步骤三、四和五能够得到分离了噪声信号，且包含音频特征信息和声源位置信息的音频信号。步骤六将该音频信号与信号存储单元的多个目标声源进行比对，如两者的音频特征信息，则比对成功。步骤七根据所述声源位置信息确定该声源的位置。实施本发明所述的阵列音频信号处理方法，既能够判断所探测的声源是否为信号存储单元中预存的目标声源，又能够对探测到的声源进行定位。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法进行更详细的描述，其中：
图1是实施例一所述的一种微声探测分析装置的电气结构示意图；
图2是实施例二中微声传感器的工作原理图；
图3是实施例三中微声传感器的透视图；
图4是实施例四中微声传感器的结构示意图；
图5是实施例五中微声感受单元的侧视图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的一种微声探测分析装置及基于该装置的阵列音频信号处理方法作进一步说明。
实施例一：下面结合图1详细地说明本实施例，本实施例所述的一种微声探测分析装置包括微声传感阵列1、信号处理单元2、信号存储单元3和信号分析单元4；
所述微声传感阵列1包括多个微声传感器；
所述微声传感器用于将声音信号转化为电信号，并将该电信号发送至信号处理单元2；
所述微声传感器包括微声感受单元，所述微声感受单元包括石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜用于感受声压；
所述信号处理单元2用于处理微声传感器发来的电信号，并将包含音频特征信息和声源位置信息的电信号发送至信号分析单元4；
所述信号存储单元3预存有多个目标声源的音频特征信息；
所述信号分析单元4用于将信号处理单元2发来的电信号与所述多个目标声源进行比对，当发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
所述信号分析单元4还用于根据信号处理单元2发来的电信号所包含的声源位置信息，定位该声源。
实施例二：下面结合图2详细地说明本实施例，本实施例是对实施例一所述的一种微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，所述微声传感器还包括激光器5和感光元件6；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板上设置有通孔，所述石墨烯薄膜8固定设置在基板7上，并覆盖所述通孔的一端；
由激光器5发射的激光经所述通孔的另一端入射至石墨烯薄膜8，并经石墨烯薄膜8的折射，入射至所述感光元件6的感光面；
所述感光元件6与信号处理单元2相连。
当石墨烯薄膜未受声压，处于静止状态时，其将激光器发出的激光折射至感光元件的感光面上，形成光斑，此时入射至感光面的激光为实线。当石墨烯薄膜因受到声压而振动时，入射至感光面的激光的光路会发生变化，如图中的虚线所示，此时感光面上的光斑的位置会偏移。感光元件将光斑的位置偏移量转换为电信号，并发送至信号处理单元。
实施例三：下面结合图3详细地说明本实施例，本实施例是对实施例一所述的一种微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，所述微声传感器还包括第一永磁体9和第二永磁体10；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板上设置有通孔11，所述石墨烯薄膜8固定设置在基板7上，并覆盖所述通孔11的一端；
所述第一永磁体9和第二永磁体10均设置在基板7上，第一永磁体9和第二永磁体10之间形成耦合磁场；
当所述石墨烯薄膜8受到声压而振动时，能够切割所述磁场，并产生电信号；
所述信号处理单元2接收该电信号。
如图3所示，第一永磁体9和第二永磁体10分别固定设置在基板7的上端和下端，石墨烯薄膜8位于第一永磁体9和第二永磁体10之间。第一永磁体9和第二永磁体10之间形成耦合磁场。石墨烯薄膜8与信号处理单元构成电气回路。石墨烯薄膜8为良导体，当石墨烯薄膜8因受到声压而振动时，能够切割所述磁场的磁感线，产生电信号。
实施例四：本实施例是对实施例一所述的微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，所述微声传感器还包括导电隔板12、电池13和电阻14；
所述微声感受单元还包括基板7，所述基板7上设置有通孔，所述石墨烯薄膜8和导电隔板12均固定设置在基板7上，分别覆盖所述通孔的两端，并构成平行板电容；
所述平行板电容、电池13、电阻14和信号处理单元2串联，并构成电气回路。
在本实施例中，石墨烯薄膜8与导电隔板12构成平行板电容，并与电池13、电阻14和信号处理单元2构成电气回路。当石墨烯薄膜8未受声压，处于静止状态时，石墨烯薄膜8与导电隔板12的间距一定，所述平行板电容的电容量一定。当石墨烯薄膜8因受到声压而振动时，石墨烯薄膜8与导电隔板12的间距改变，所述平行板电容的电容量改变。电容量改变导致所述电气回路的电信号改变。
实施例五：下面结合图5详细地说明本实施例，本实施例是对实施例二至四任意一项所述的一种微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，所述石墨烯薄膜8与所述通孔的一端的端面之间存在空隙。
如图5所示，本实施例中的微声感受单元，覆盖通孔一端的石墨烯薄膜8为松弛的，并向所述通孔的反方向突出。在感受同等声压的情况下，松弛的石墨烯薄膜与张紧的石墨烯薄膜相比，振动的振幅更大。
实施例六：本实施例是对实施例一至四任意一项所述的一种微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，所述微声感受单元呈直线分布、平面分布、弧线分布或弧面分布。
多个微声感受单元呈直线分布适用于探测近场地面声源；
多个微声感受单元呈平面分布适用于空中声源；
多个微声感受单元呈弧线分布与呈直线分布的方式相比，增加了一个空间维度；
多个微声感受单元呈弧面分布与呈弧面分布的方式相比，增加了一个空间维度。
实施例七：本实施例是对实施例六所述的一种微声探测分析装置作进一步的限定，本实施例所述的一种微声探测分析装置，将所述石墨烯薄膜8替换为氧化石墨烯薄膜。
氧化石墨烯薄膜与石墨烯薄膜相比，其感受声压的能力稍差，但是制备方法简单，制造成本大大降低。
实施例八：本实施例所述的阵列音频信号处理方法基于实施例一至四任意一项所述的一种微声探测分析装置实现，在实施所述信号处理方法之前需实施：
步骤一、根据声源的位置选择微声传感阵列1中微声感受单元的分布模式，并保证微声传感阵列的音频信号传输通道的一致性；
所述音频信号为微声传感器发给信号处理单元2的电信号；
所述分布模式包括直线分布、平面分布、弧线分布和弧面分布；
步骤二、选择微声传感阵列1的工作模式，对干扰方向进行估计，并抑制干扰；
所述工作模式包括监视模式和跟踪模式；
所述监视模式又包括指定方向监视模式和全方向监视模式；
所述信号处理方法包括：
步骤三、筛选出噪声信号可分离的音频信号，并分离该音频信号中的噪声信号；
步骤四、对分离了噪声信号的音频信号进行音频特征信息的提取；
步骤五、对分离了噪声信号的音频信号进行声源位置信息的提取；
步骤六、将包含音频特征信息和声源位置信息的音频信号与信号存储单元3中预存的多个目标声源进行比对，当发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
步骤七、根据步骤六中的音频信号所包含的声源位置信息定位该声源。
步骤三中的噪声信号可分离的音频信号是指噪声信号与音频信号具有分离维度，该分离维度为时域、空域或频域；
对于已经检测到并定位的声源，按照先验知识或是已经量测的信息，形成声源的运动方程，因而外推声源下一个信息采集时刻的位置信息，进行预先方位图形成，提高对该声源的检测性能。同时，可以根据声源运动方程，推测出声源的运动参数，作为声源特征参数的一部分存入数据库中，以方便声源的识别处理。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种微声探测分析装置，所述微声探测分析装置包括微声传感阵列(1)、信号处理单元(2)、信号存储单元(3)和信号分析单元(4)；
所述微声传感阵列(1)包括多个微声传感器；
所述微声传感器用于将声音信号转化为电信号，并将该电信号发送至信号处理单元(2)；
所述微声传感器包括微声感受单元，所述微声感受单元包括石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜用于感受声压；
所述信号处理单元(2)用于处理微声传感器发来的电信号，并将包含音频特征信息和声源位置信息的电信号发送至信号分析单元(4)；
所述信号存储单元(3)预存有多个目标声源的音频特征信息；
所述信号分析单元(4)用于将信号处理单元(2)发来的电信号与所述多个目标声源进行比对，当发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该电信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
所述信号分析单元(4)还用于根据信号处理单元(2)发来的电信号所包含的声源位置信息，定位该声源；
其特征在于，所述微声传感器还包括第一永磁体(9)和第二永磁体(10)；
所述微声感受单元还包括基板(7)，所述基板上设置有通孔(11)，所述石墨烯薄膜(8)固定设置在基板(7)上，并覆盖所述通孔(11)的一端；
所述第一永磁体(9)和第二永磁体(10)均设置在基板(7)上，第一永磁体(9)和第二永磁体(10)之间形成耦合磁场；
当所述石墨烯薄膜(8)受到声压而振动时，能够切割所述磁场，并产生电信号；
所述信号处理单元(2)接收该电信号。
2.如权利要求1所述的微声探测分析装置，其特征在于，所述石墨烯薄膜(8)与所述通孔的一端的端面之间存在空隙。
3.如权利要求1所述的微声探测分析装置，其特征在于，所述微声感受单元呈直线分布、平面分布、弧线分布或弧面分布。
4.如权利要求3所述的微声探测分析装置，其特征在于，将所述石墨烯薄膜(8)替换为氧化石墨烯薄膜。
5.基于权利要求1所述微声探测分析装置的阵列音频信号处理方法，其特征在于，在实施所述信号处理方法之前需实施：
步骤一、根据声源的位置选择微声传感阵列(1)中微声感受单元的分布模式，并保证微声传感阵列的音频信号传输通道的一致性；
所述音频信号为微声传感器发给信号处理单元(2)的电信号；
所述分布模式包括直线分布、平面分布、弧线分布和弧面分布；
步骤二、选择微声传感阵列(1)的工作模式，对干扰方向进行估计，并抑制干扰；
所述工作模式包括监视模式和跟踪模式；
所述监视模式又包括指定方向监视模式和全方向监视模式；
所述信号处理方法包括：
步骤三、筛选出噪声信号可分离的音频信号，并分离该音频信号中的噪声信号；
步骤四、对分离了噪声信号的音频信号进行音频特征信息的提取；
步骤五、对分离了噪声信号的音频信号进行声源位置信息的提取；
步骤六、将包含音频特征信息和声源位置信息的音频信号与信号存储单元(3)中预存的多个目标声源进行比对，当发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示发现该目标声源，当未发现与该音频信号的音频特征信息相同的目标声源时，提示未发现目标声源；
步骤七、根据步骤六中的音频信号所包含的声源位置信息定位该声源。
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