CN111341348A - 发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置及方法，属于利用测量声学效应的技术领域，旨在解决电子竞速计时系统竞速计时精度低、容易误触发的问题。该装置包括主机、鹅颈管和传感器组件，传感器组件包括罩壳、声音传感器、振动传感器，声音传感器和振动传感器固定设置在罩壳内，主机包括机壳、电池、电路板，电路板和电池固定设置在机壳内，鹅颈管的一端固定连接在罩壳上，鹅颈管的另一端固定连接在机壳上，电路板上设有声音频谱处理模块、声压振动处理模块、微处理器。该方法在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。本发明用于发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测。
Description
技术领域
本发明属于利用测量声学效应的技术领域，尤其是涉及一种发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置及方法。
背景技术
现有“电子竞速计时系统”的工作触发，都是通过对发令枪的开枪声音做监测，通过声音传感器监测到枪响后自动触发开始。实际使用中存在缺陷不足：
一、使用方式上，常规多是将声音传感器绑在发令枪上或将声音传感器就近放置在发令人员附近，如果是绑在发令枪上，有线传输的声音传感器会影响发令人员正常操作发令枪，如果是放置在发令人员附近，如果位置不当距离远了，每1米距离将产生3ms的音速传播时间延迟，将影响到竞速计时的精度;
二、不能克服各种干扰噪音，赛场的环境噪声、呐喊声、观众席鼓号声，都是影响声音传感器的噪音，极端情况下会造成声音传感器的误触发；
三、不能对枪声进行有效辨识，附近比赛的发令枪声也会对声音传感器也造成影响，枪声之间难以辨别区分，造成声音传感器接收到其他枪声被误触发。
如何在不干扰和影响发令人员正常操作下，准确的、高精度的判断出枪声信号，是本领域技术人员考虑的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种竞速计时精度高、能够避免计时系统误触发的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置及方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，包括主机、鹅颈管和传感器组件，所述传感器组件包括罩壳、声音传感器、振动传感器，所述声音传感器和所述振动传感器固定设置在所述罩壳内，所述主机包括机壳、电池、电路板，所述电路板和电池固定设置在所述机壳内，所述鹅颈管的一端固定连接在所述罩壳上，所述鹅颈管的另一端固定连接在所述机壳上，所述电路板上设有声音频谱处理模块、声压振动处理模块、微处理器，所述声音传感器与所述声音频谱处理模块电连接，所述声音频谱处理模块与所述微处理器电连接，所述振动传感器与所述声压振动处理模块电连接，所述声压振动处理模块与所述微处理器电连接。
作为优选，所述声音频谱处理模块包括声音信号放大器、滤波器一、比较器一、跟随器一，所述声音传感器与所述声音信号放大器电连接，所述滤波器一与所述声音信号放大器电连接，所述比较器一与所述滤波器一电连接，所述跟随器一与所述滤波器一电连接，所述声压振动处理模块包括振动信号放大器、滤波器二、比较器二、跟随器二，所述振动信号放大器与所述振动传感器电连接，所述滤波器二与所述振动信号放大器电连接，所述比较器二与所述滤波器二电连接，所述跟随器二与所述滤波器二电连接。
作为优选，所述微处理器包括GPIO输入端一、GPIO输入端二、ADC输入端一、ADC输入端二，所述比较器一与所述GPIO输入端一连接，所述比较器二与所述GPIO输入端二连接，所述跟随器一与所述ADC输入端一连接，所述跟随器二与所述ADC输入端二连接。
作为优选，所述声音传感器为驻极体话筒，所述振动传感器包括应变片和应变片固定件，所述应变片固定件固定设置在所述罩壳内，所述应变片固定设置在所述应变片固定件上。
作为优选，所述主机还包括无线通信天线，所述电路板上设有无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器电连接，所述无线通信模块与所述无线通信天线电连接。
作为优选，所述主机还包括有线网口，所述有线网口与所述微处理器电连接。
作为优选，所述主机还包括USB充电口，所述USB充电口与所述电池电连接。
作为优选，所述传感器组件还包括防尘网，所述防尘网设置在所述罩壳的开口处。
作为优选，所述机壳包括机壳上盖、机壳下盖、机壳前板和机壳后板，所述机壳上盖的截面呈冂形，所述机壳下盖的截面呈凵形，机壳上盖和机壳下盖上下扣合，所述机壳前板、机壳后板在四个角处设有螺钉孔，所述机壳上盖和机壳下盖前端通过所述机壳前板固定连接，所述机壳上盖和机壳下盖后端通过所述机壳后板固定连接。
本发明还提供一种发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测方法，包括以下步骤：
S1：固定发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置的主机，将带有声音传感器、振动传感器的传感器组件通过鹅颈管伸入高音喇叭内；
S2：
a1.声音传感器实时侦测枪声；
a2.振动传感器实时侦测枪声；
S3：
b1.声音频谱处理模块对声音传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
b2.声压振动处理模块对振动传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
S4：
c1.微处理器辨识信号频谱是否吻合发令枪声的频谱特征，只有在频谱吻合时，才视为是枪声的“频谱有效”；
c2. 微处理器分析信号能量大小，计算出能量值，与预定的枪声能量阈值进行比较，只有在大于等于标准枪声能量阈值时，才视为枪声符合近距离开枪声音的强度，视为枪声的“强度有效”；
S5：微处理器只在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
通过声音传感器实时侦测枪声，声音频谱处理模块对声音传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器，微处理器辨识信号频谱是否吻合发令枪声的频谱特征，只有在频谱吻合时，才视为是枪声的“频谱有效”。该工作流程目的是通过声音频谱的辨识把无关声音排除，如：环境噪声、人员呐喊声、观众席鼓号声、背景音乐声等。
同时通过振动传感器实时侦测枪声，声压振动处理模块对振动传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器，微处理器分析信号能量大小，计算出能量值，与预定的枪声能量阈值进行比较，只有在大于等于标准枪声能量阈值时，才视为枪声符合近距离开枪声音的强度，视为“强度有效”。该工作流程目的通过声音强度的辨识把赛场内一定距离以外的发令枪声排除。
微处理器只在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。
本发明目的可以有效弥补市面上“电子竞速计时系统”通过声音传感器侦测枪声的的技术不足，降低侦测失误和提高计量精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置的结构示意图；
图2为声音传感器、振动传感器及处理模块的连接结构示意图；
图3为声音信号放大器的电路图；
图4为振动信号放大器的电路图；
图5为滤波器一、滤波器二的电路图；
图6为发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测方法流程图；
图中：
1-主机；11-机壳；111-机壳上盖；112-机壳下盖；113-机壳前板；114-机壳后板；12-电池；13-电路板；2-鹅颈管；3-传感器组件；31-罩壳；32-声音传感器；33-振动传感器；34-防尘网；4-电源开关；5-声音频谱处理模块；51-声音信号放大器；52-滤波器一；53-比较器一；54-跟随器一；6-声压振动处理模块；61-振动信号放大器；62-滤波器二；63-比较器二；64-跟随器二；7-微处理器；8-无线通信天线；9-有线网口；10-USB充电口。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，包括主机1、鹅颈管2和传感器组件3。
所述传感器组件3包括罩壳31、声音传感器32、振动传感器33和防尘网34。所述声音传感器32和所述振动传感器33固定设置在所述罩壳31内，所述防尘网34设置在所述罩壳31的开口处。
本实施例中，所述声音传感器32为驻极体话筒。
本实施例中，所述振动传感器33包括刚性薄片和应变片，所述刚性薄片的底端固定在所述罩壳内，所述应变片固定设置在所述刚性薄片顶部。
所述主机1包括机壳11、电池12、电路板13，所述电路板13和电池12固定设置在所述机壳11内。
所述机壳11包括机壳上盖111、机壳下盖112、机壳前板113和机壳后板114。所述机壳上盖111的截面呈冂形，所述机壳下盖112的截面呈凵形，机壳上盖111和机壳下盖112上下扣合。所述机壳前板113、机壳后板114在四个角处设有螺钉孔，所述机壳上盖111和机壳下盖112的前端通过所述机壳前板113固定连接，所述机壳上盖111和机壳下盖112的后端通过所述机壳后板114固定连接。
所述鹅颈管2的一端固定连接在所述罩壳31上，所述鹅颈管2的另一端固定连接在所述机壳11上。柔性的鹅颈管2可将传感器组件3设置在高音喇叭内的合适位置，并可调整传感器组件3的方向。
所述电池12用于为所述电路板13上的电子器件供电。所述机壳11上设有与所述电池12电连接的电源开关4。
所述电路板13上设有声音频谱处理模块5、声压振动处理模块6、微处理器7。
如图2所示，所述声音传感器32与所述声音频谱处理模块5电连接，所述声音频谱处理模块5与所述微处理器7电连接。所述振动传感器33与所述声压振动处理模块6电连接，所述声压振动处理模块6与所述微处理器7电连接。
所述声音频谱处理模块5包括声音信号放大器51、滤波器一52、比较器一53、跟随器一54。所述声音传感器32与所述声音信号放大器51电连接，所述滤波器一52与所述声音信号放大器51电连接，所述比较器一53与所述滤波器52一电连接，所述跟随器一54与所述滤波器一52电连接。
如图3所示，声音信号放大器51采用反相比例放大器结构。其中，电压增益为
所述声压振动处理模块6包括振动信号放大器61、滤波器二62、比较器二63、跟随器二64。所述振动信号放大器61与所述振动传感器33电连接，所述滤波器二62与所述振动信号放大器61电连接，所述比较器二63与所述滤波器62二电连接，所述跟随器二64与所述滤波器二62电连接。
如图4所示，振动信号放大器61采用同向比例放大器结构。其中，输出电压为
，电压增益为
。
滤波器一52、滤波器二62用于消除信号中的高频噪声，如图5所示，采用MFB（Multiple Feedback）电路形式的二阶低通滤波器。其中，函数为
，频点为
，品质因素为
，放大倍数为
。
滤波器一52、滤波器二62通过归一化方法设计，设计步骤如下：
1）给定截止频率，通过下表选取电容 C2：
2）根据选取的C2，计算电阻模系数 K。
K = 100 /(f * C2)
3）选取放大倍数，计算出C1，查表确定 R1， R2，R3分别乘以电阻模系数 K得到最后阻值。
通过计算机搭建仿真模型得到仿真结果。
比较器一52、比较器二62用于将模拟量二值化后进行数字量进行处理。通过计算机搭建仿真模型得到仿真结果。
微处理器7包括GPIO输入端一、GPIO输入端二、ADC输入端一、ADC输入端二。所述比较器一53与所述GPIO输入端一连接，所述比较器二63与所述GPIO输入端二连接；所述跟随器一54与所述ADC输入端一连接，所述跟随器二64与所述ADC输入端二连接。
通过前面的电路变换，可以得到2个逻辑输入量，2个模拟输入量。
设模拟输入信号为V（t），那么通过积分后，输出信号为y（t）=∫V(t)dt。
式中 V表示模拟输入量。t表示与积分时间相关的逻辑输入量。当信号输入时触发逻辑量，时间为t0。信号结束时会停止触发逻辑量，时间为tn。则有
，求出定积分yt的值即为该通道信号的特征值。
通过对比原始信号和 yt 的值，原始信号的维持时间和（tn-t0）值。可判断当前被测试信号是否与原始信号相似。
本实施例中，微处理器7型号为STM32F103RCT6。
本实施例中，所述机壳11上还设置有无线通信天线8，所述电路板13上设有无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器7电连接，所述无线通信模块与所述无线通信天线8电连接。本装置在侦测和判断枪声有效后，可通过无线通信模块和无线通信天线8发出触发信号。
本实施例中，所述机壳上还设有有线网口9，所述有线网口9与所述微处理器7电连接。本装置在侦测和判断枪声有效后，可通过有线网口9发出触发信号。
本实施例中，所述机壳上还设有USB充电口10，所述USB充电口10与所述电池12电连接。可通过USB充电口10给电池12充电。
如图6所示，本发明还提供一种发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测方法，包括以下步骤：
S1：固定发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置的主机，将带有声音传感器、振动传感器的传感器组件通过鹅颈管伸入高音喇叭内；
S2：
a1.声音传感器实时侦测枪声；
a2.振动传感器实时侦测枪声；
S3：
b1.声音频谱处理模块对声音传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
b2.声压振动处理模块对振动传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
S4：
c1.微处理器辨识信号频谱是否吻合发令枪声的频谱特征，只有在频谱吻合时，才视为是枪声的“频谱有效”；
c2. 微处理器分析信号能量大小，计算出能量值，与预定的枪声能量阈值进行比较，只有在大于等于标准枪声能量阈值时，才视为枪声符合近距离开枪声音的强度，视为枪声的“强度有效”；
S5：微处理器只在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。
通过声音传感器实时侦测枪声，声音频谱处理模块对声音传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器，微处理器辨识信号频谱是否吻合发令枪声的频谱特征，只有在频谱吻合时，才视为是枪声的“频谱有效”。该工作流程目的是通过声音频谱的辨识把无关声音排除，如：环境噪声、人员呐喊声、观众席鼓号声、背景音乐声等。
同时通过振动传感器实时侦测枪声，声压振动处理模块对振动传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器，微处理器分析信号能量大小，计算出能量值，与预定的枪声能量阈值进行比较，只有在大于等于标准枪声能量阈值时，才视为枪声符合近距离开枪声音的强度，视为“强度有效”。该工作流程目的通过声音强度的辨识把赛场内一定距离以外的发令枪声排除。
微处理器只在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。
本发明目的可以有效弥补市面上“电子竞速计时系统”通过声音传感器侦测枪声的的技术不足，降低侦测失误和提高计量精度。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (10)
1.发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，包括主机（1）、鹅颈管（2）和传感器组件（3），所述传感器组件（3）包括罩壳（31）、声音传感器（32）、振动传感器（33），所述声音传感器（32）和所述振动传感器（33）固定设置在所述罩壳（31）内，所述主机（1）包括机壳（11）、电池（12）、电路板（13），所述电路板（13）和电池（12）固定设置在所述机壳（11）内，所述鹅颈管（2）的一端固定连接在所述罩壳（31）上，所述鹅颈管（2）的另一端固定连接在所述机壳（1）上，所述电路板（13）上设有声音频谱处理模块（5）、声压振动处理模块（6）、微处理器（7），所述声音传感器（32）与所述声音频谱处理模块（5）电连接，所述声音频谱处理模块（5）与所述微处理器（7）电连接，所述振动传感器（33）与所述声压振动处理模块（6）电连接，所述声压振动处理模块（6）与所述微处理器（7）电连接。
2.如权利要求1所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述声音频谱处理模块（5）包括声音信号放大器（51）、滤波器一（52）、比较器一（53）、跟随器一（54），所述声音传感器（32）与所述声音信号放大器（51）电连接，所述滤波器一（52）与所述声音信号放大器（51）电连接，所述比较器一（53）与所述滤波器一（52）电连接，所述跟随器一（54）与所述滤波器一（52）电连接，所述声音振动处理模块（6）包括振动信号放大器（61）、滤波器二（62）、比较器二（63）、跟随器二（64），所述振动信号放大器（61）与所述振动传感器（33）电连接，所述滤波器二（62）与所述振动信号放大器（61）电连接，所述比较器二（63）与所述滤波器二（62）电连接，所述跟随器二（64）与所述滤波器二（62）电连接。
3.如权利要求2所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述微处理器（7）包括GPIO输入端一、GPIO输入端二、ADC输入端一、ADC输入端二，所述比较器一（53）与所述GPIO输入端一连接，所述比较器二（63）与所述GPIO输入端二连接，所述跟随器一（54）与所述ADC输入端一连接，所述跟随器二（64）与所述ADC输入端二连接。
4.如权利要求1所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述声音传感器（32）为驻极体话筒，所述振动传感器（33）包括应变片和应变片固定件，所述应变片固定件固定设置在所述罩壳（31）内，所述应变片固定设置在所述应变片固定件上。
5.如权利要求1-4中的任意一项所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述主机（1）还包括无线通信天线（8），所述电路板（13）上设有无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器（7）电连接，所述无线通信模块与所述无线通信天线（8）电连接。
6.如权利要求1-4中的任意一项所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述主机（1）还包括有线网口（9），所述有线网口（9）与所述微处理器（7）电连接。
7.如权利要求1-4中的任意一项所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述主机（1）还包括USB充电口（10），所述USB充电口（10）与所述电池（12）电连接。
8.如权利要求1-4中的任意一项所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述传感器组件（3）还包括防尘网（34），所述防尘网（34）设置在所述罩壳（31）的开口处。
9.如权利要求1-4中的任意一项所述的发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置，其特征在于，所述机壳（11）包括机壳上盖（111）、机壳下盖（112）、机壳前板（113）和机壳后板（114），所述机壳上盖（111）的截面呈冂形，所述机壳下盖（112）的截面呈凵形，机壳上盖（111）和机壳下盖（112）上下扣合，所述机壳前板（113）、机壳后板（114）在四个角处设有螺钉孔，所述机壳上盖（111）和机壳下盖（112）前端通过所述机壳前板（113）固定连接，所述机壳上盖（111）和机壳下盖（112）后端通过所述机壳后板（114）固定连接。
10.发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：固定发令枪声的声音频谱识别与声压振动侦测装置的主机，将带有声音传感器、振动传感器的传感器组件通过鹅颈管伸入高音喇叭内；
S2：
a1.声音传感器实时侦测枪声；
a2.振动传感器实时侦测枪声；
S3：
b1.声音频谱处理模块对声音传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
b2.声压振动处理模块对振动传感器的采集声音做前端信号处理，处理后信号输出给微处理器；
S4：
c1.微处理器辨识信号频谱是否吻合发令枪声的频谱特征，只有在频谱吻合时，才视为是枪声的“频谱有效”；
c2. 微处理器分析信号能量大小，计算出能量值，与预定的枪声能量阈值进行比较，只有在大于等于标准枪声能量阈值时，才视为枪声符合近距离开枪声音的强度，视为枪声的“强度有效”；
S5：微处理器只在“频谱有效”和“强度有效”2个判断条件同时成立时，才判定发令枪声有效，最终触发开始信号。
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