CN113074810B - 一种矢量传声器的校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本方案公开了一种矢量传声器的校准系统及方法，该系统包括：矢量传声器，拾取声场声压信号及质点振速信号；控制单元，基于外部指令根据获取的所述声压信号及所述质点振速信号对所述矢量传声器进行校准；所述矢量传声器与所述控制单元连接。使用本方案的校准系统可以在线实时校准，对测试环境没有特殊需求，可用于提高矢量传声器的质点振速通道与其声压通道间各频点幅度响应的一致性与匹配性；有效补偿因生产工艺造成的正交偏差，使得矢量传声器具有更优异的方位估计性能。

Description

一种矢量传声器的校准系统及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种矢量传声器的校准系统及方法。

背景技术

传统的传声器只能用于测量声场中的标量参数，如声压，校准方式也比较简单，将标量传声器放在一个密闭声场空间中即可；而对于矢量传声器，由于需要测试质点振速，而振速是矢量，若声传播过程中遇到硬边界，则边界处声压最大，而质点振速最小，甚至零，这样就无法对矢量传声器进行校准。因此，标量传声器的校准方法不再适用于矢量传声器的校准。

已有的矢量传声器校准方法主要有：近场校准、驻波管校准、振动器校准等，但上述各类方法对于声场存在严重的依赖性，校准效果往往达不到工程中应用，且不能在线实时校准。

发明内容

本方案的一个目的在于提供一种矢量传声器的校准系统，该系统可用于在线实时校准，通过利用已知的标量传声器进行校准，不仅可以校准矢量通道的频率响应而且还可以校准矢量通道的空间正交性。

本方案的另一个目的在于提供一种矢量传声器的校准方法。

为达到上述目的，本方案如下：

一种矢量传声器的校准系统，该系统包括：

矢量传声器，拾取声场声压信号及质点振速信号；

控制单元，基于外部指令根据获取的所述声压信号及所述质点振速信号对所述矢量传声器进行校准；

所述矢量传声器与所述控制单元连接。

优选的，所述矢量传声器包括声压敏感元件和质点振速敏感元件；所述声压敏感元件和所述质点振速敏感元件共点放置。

优选的，所述声压敏感元件构成声压通道；所述质点振速敏感元件构成质点振速通道。

优选的，所述矢量传声器包含至少一个质点振速敏感元件。

优选的，所述系统还包括基于控制单元发出的第一控制信号产生特定频段声音信号的信号单元。

优选的，所述系统还包括：转台，所述矢量传声器设于所述转台上，所述转台基于所述控制单元发出的第二控制信号旋转以调整角度。

第二方面，提供一种矢量传声器的校准方法，该方法包括：

S100，基于获取的声场声压信号和声场第一质点振速信号进行时域幅度校准，获得时域幅度校准矩阵，修正所述时域幅度校准矩阵至误差小于第一预设误差控制量；

优选的，该方法还包括：

S200，基于获取的声场第一质点振速信号和声场第二质点振速信号进行空域正交性校准，获得空域正交性校准矩阵，修正所述空域正交性校准矩阵至误差小于第二预设误差控制量。

优选的，步骤S100进一步包括：

a.设置初始时域幅度校准矩阵；

b.对所述第一质点振速信号进行校准，得到所述第一质点振速信号的估计值；

c.基于所述声压信号和所述第一质点振速信号估计值获得第一校准误差；

d.基于所述第一校准误差修正所述初始时域幅度校准矩阵获得时域幅度校准矩阵；

e.重复步骤b直至所述第一校准误差满足式(1)；

|e₁(n)|²≤ε₁ (1)

式(1)中，e₁(n)为第一校准误差，ε₁为第一预定义误差控制量。

优选的，步骤S200进一步包括：

i.设置初始空域正交性校准矩阵；

ii.对所述第二质点振速信号进行校准，得到所述第二质点振速信号的估计值；

iii.基于所述第一质点振速信号，所述第二质点振速信号的估计值和时域幅度校准矩阵获得第二校准误差；

vi.基于所述第二校准误差修正所述初始空域正交性矩阵获得空域正交性校准矩阵；

v.重复步骤ii直至所述第二校准误差满足式(2)；

|e₂(n)|²≤ε₂ (2)

式(2)中，e₂(n)为第二校准误差，ε₂为第二预定义误差控制量。

本方案的有益效果如下：

(1)本发明提供的矢量传声器校准系统所需设备简单，对环境要求低，无需在特殊的环境中进行；

(2)本发明提供的矢量传声器校准方法为针对矢量传声器进行自适应校准的方法，可对矢量传声器质点振速通道幅值进行校正，提高矢量传声器的质点振速通道与其声压通道间各频点幅度响应的一致性与匹配性；可对矢量传声器质点振速通道间的空间正交性进行校正，有效补偿因生产工艺造成的正交偏差，使得矢量传声器具有更优异的方位估计性能。

附图说明

为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例中的矢量传声器校准系统结构示意图；

图2a是一维矢量传声器内部结构示意图；

图2b是二维矢量传声器内部结构示意图；

图3是实施例的矢量传声器校准方法流程框图；

图4是实施例的矢量传声器校准方法流程中时域幅度校准矩阵获取流程框图；

图5是实施例的矢量传声器校准方法流程中空域正交性校准矩阵获取流程框图；

其中，1-信号源；2-扬声器；3-矢量传声器；4-转台；5-控制单元；6-测试空间；301-声压通道；303-质点振速敏感元件敏感平面；3021-第一质点振速通道；3022-第二质点振速通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

本申请的发明人发现传统的传声器只能用于测量声场中的标量参数，如声压；而矢量传声器是通过检测质点振速来获得声场信息，兼具了低频、灵敏度高、尺寸小、能更好抑制环境噪声的优势。又由于矢量传声器具有不依赖于频率的空间8字型指向性，因此在声源定位、远场语音拾取等方面具有先天性的优势。但由于矢量传声器制作的工艺等因素造成矢量通道的频率响应起伏较大同时8字型指向性的正交特性会产生偏差，影响矢量传声器在实际产品中的落地。

下面结合附图1至附图5对本申请进行详细说明。

如图1所示的一种矢量传声器的校准系统，包括矢量传声器3和控制单元5，

矢量传声器3用于拾取声场的声压信号及质点振速信号，矢量传声器3具有由声压敏感元件构成的声压通道，以及至少一个由MEMS热式流量原理的质点振速敏感元件构成的质点振速通道；本方案中的声压通道指声压测量通道，质点振速通道指质点振速测量通道。

在一个实施例中，声压敏感元件为驻极体声压敏感元件或硅麦声压敏感元件，矢量传声器通过声压敏感元件拾取声场中的声压信号信息，通过质点振速敏感元件拾取声场中的质点振速信息，质点振速敏感元件构成的质点振速通道具有天然“8”字指向性特征。控制单元5与矢量传声器3连接，基于外部指令驱动矢量传声器3的数据采集卡(如美国国家仪器公司的NI9234)采集传声器拾取的声音信号和质点振速信号，并基于矢量传声器3拾取的声音信号和质点振速信号对矢量传声器3进行校准，控制单元5可以是存储有可执行程序的计算机。

在一个实施例中，矢量传声器3为一维矢量传声器，如图2a所示，矢量传声器3包括一个声压通道301和一个质点振速通道，如第一质点振速通道3021；在另一个实施例中，矢量传声器3为二维矢量传声器，如图2b所示，矢量传声器3包括一个声压通道301及两个质点振速通道，如第一质点振速通道3021和第二质点振速通道3022。无论是一维还是二维矢量传声器，构成传声器声压通道的声压敏感元件和构成质点振速通道的质点振速敏感元件共点放置，即声压敏感元件和质点振速敏感元件在同一矢量传声器的空间内放置。

在一个实施例中，校准系统还包括信号单元，信号单元则包括信号源1和扬声器2。收到校准指令后，控制单元5驱动信号源1产生特定频段声音信号，信号源1则驱动扬声器2发出特定频段声音信号，同时控制单元5采集矢量传声器3拾取的声场声压信号和质点振速信号并将其转换为相应的数字信号，并根据数字信号对矢量传声器3进行校准。

在一个实施例中，校准系统还包括转台4，矢量传声器3设置在转台4上，通过控制单元5向转台4发出第二控制信号，转台4就会调整角度，这样设置在转台4上的矢量传声器3就会发生旋转，在转台4调整角度的过程中需要保证矢量传声器3始终正对扬声器2的中心。

在使用如图1所示的校准系统进行校准时，需先对校准系统进行如下操作:

A.将校准系统设置于测试空间6中，在控制单元5中设置信号源1发出的信号频率范围、幅值等参数，和转台4的转动角度、旋转速度等参数；

B.利用步骤A中设置的参数，控制信号源1及扬声器2向测试空间6发出高斯白噪声；

C.确定第一质点振速通道3021的“8”字指向性的极大轴，并调整转台4的角度，使极大轴正对扬声器2的中心；

在质点振速敏感元件敏感平面303内不断旋转矢量传声器3，然后通过第一质点振速通道3021输出信号的幅度来确定第一质点振速通道3021的“8”字指向性的极大轴，第一质点振速通道3021输出信号最大位置处就是第一质点振速通道的极大轴，矢量传声器3的旋转是通过调整转台4的角度实现；在通过旋转矢量传声器3寻找第一质点振速通道3021的“8”字指向性的极大轴的过程中，需保证矢量传声器3始终正对扬声器2的中心位置。

在进行上述调试步骤后，利用图1所示的校准系统对矢量传声器进行校准，包括如下步骤：

S100，基于获取的声场声压信号和声场第一质点振速信号进行时域幅度校准，获得时域幅度校准矩阵，修正时域幅度校准矩阵至误差小于第一预设误差控制量；

如图4所示，步骤S100进一步包括：

a.设置初始时域幅度校准矩阵W_1,0(n)；b.对第一质点振速通道3021拾取的信号V₁(n)进行校准，得到第一质点振速通道3021拾取信号的估计值其中

c.利用第一质点振速通道3021拾取的信号估计值及声压通道301拾取的声音信号P(n)估计第一校准误差e₁(n)，其中/>

d.利用第一校准误差e₁(n)修正校准系数矩阵W_1,k(n)，其中W_1,k(n)＝W_1,k-1(n)+μ₁e₁(n)，k为正整数；

以及

e.重复估计的步骤，直至第一校准误差e₁(n)满足下式(1)，

|e₁(n)|²≤ε₁ (1)

最终得到的满足上式的W₁(n)即为矢量传声器3的第一质点振速通道3021的时域幅度校准矩阵，保留结果待用；上述各步骤中，e₁(n)为第一校准误差，ε₁为第一预定义误差控制量，μ₁为第一收敛因子，*为卷积过程。

如果矢量传声器3是一维矢量传声器，则完成上述步骤后，就完成了对矢量传声器3的校准。

如果矢量传声器3是二维矢量传声器，在未使用矢量传声器空域正交性的应用场景下，如果校准仅仅进行到上述步骤为止，仍然属于完成了对矢量传声器的校准。如图3所示，如要继续对矢量传声器3进行空域正交性校准，则调整转台4的角度，将矢量传声器3在质点振速敏感元件敏感平面303内顺时针或逆时针旋转90度，然后进行下述的步骤：

S200，基于获取的声场第一质点振速信号和声场第二质点振速信号进行空域正交性校准，获得空域正交性校准矩阵，修正所述空域正交性校准矩阵至误差小于第二预设误差控制量；

如图5所示，步骤S200进一步包括：

i.设置初始空域正交性校准矩阵W_2,0(n)；

ii.对第二质点振速通道3022拾取的信号V₂(n)进行校准，得到第二质点振速通道3022拾取信号的估计值，其中

iii.基于第二质点振速通道拾取的信号估计值第一质点振速通道3021拾取的信号V₁(n)及S100中的步骤e得到的时域幅度校准矩阵W₁(n)估计第二校准误差

vi.利用第二校准误差e₂(n)修正校准系数矩阵W_2,k(n)，其中，W_2,k(n)＝W_2,k-1(n)+μ₂e₂(n)，k为正整数；

以及

v.重复估计的步骤，直至第二校准误差e₂(n)满足下式(2)，

|e₂(n)|²≤ε₂ (2)，

最终得到的满足上式的W₂(n)即为矢量传声器3的第一质点振速通道3021与第二质点振速通道3022之间的空域正交性校准矩阵，保留结果待用；

上述步骤中，e₂(n)为第二校准误差，ε₂为第二预定义误差控制量，μ₂为第二收敛因子，*为卷积过程，<,>为内积过程。

实施例中的第一质点振速通道3021和第二质点振速通道3022的校准可以互换，也就是说对于二维矢量传声器3，第一质点振速通道3021与第二质点振速通道3022可以互易，并不影响校准结果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种矢量传声器的校准方法，其特征在于，该方法包括：

S100，基于获取的声场声压信号和声场第一质点振速信号进行时域幅度校准，获得时域幅度校准矩阵，修正所述时域幅度校准矩阵至误差小于第一预设误差控制量；

步骤S100进一步包括：

a.设置初始时域幅度校准矩阵；

b.对所述第一质点振速信号进行校准，得到所述第一质点振速信号的估计值；

c.基于所述声压信号和所述第一质点振速信号估计值获得第一校准误差；

d.基于所述第一校准误差修正所述初始时域幅度校准矩阵获得时域幅度校准矩阵；

e.重复步骤b直至所述第一校准误差满足式(1)；

|e₁(n)|²≤ε₁ (1)

式(1)中，e₁(n)为第一校准误差，ε₁为第一预定义误差控制量；

S200，基于获取的声场第一质点振速信号和声场第二质点振速信号进行空域正交性校准，获得空域正交性校准矩阵，修正所述空域正交性校准矩阵至误差小于第二预设误差控制量；

步骤S200进一步包括：

i.设置初始空域正交性校准矩阵；

ii.对所述第二质点振速信号进行校准，得到所述第二质点振速信号的估计值；

iii.基于所述第一质点振速信号，所述第二质点振速信号的估计值和时域幅度校准矩阵获得第二校准误差；

vi.基于所述第二校准误差修正所述初始空域正交性校准矩阵获得空域正交性校准矩阵；

v.重复步骤ii直至所述第二校准误差满足式(2)；

|e₂(n)|²≤ε₂ (2)

式(2)中，e₂(n)为第二校准误差，ε₂为第二预定义误差控制量。