CN114355292B

CN114355292B - 一种无线耳机及其麦克风定位方法

Info

Publication number: CN114355292B
Application number: CN202111627410.5A
Authority: CN
Inventors: 吴朝晖; 蔡振宇; 李斌
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114355292A

Abstract

本发明公开一种无线耳机及其麦克风定位方法，涉及无线耳机定位技术。针对现有技术中具有双侧麦克风分布的结构位置信息精度不高的问题提出本方案。固定无线耳机，设置远离无线耳机的声源；将无线耳机位于一侧的第一麦克风阵列作为参照体，利用时延估计法计算出位于无线耳机另一侧的第二麦克风阵列相对第一麦克风阵列的距离。优点在于利用同一侧的麦克风间距固定、左右两侧麦克风距离不确定的特点，设置参考麦克风和辅助定位麦克风，结合时延估计方法，实现麦克风位置的估计，在二维平面上得到较高精度的估计结果；引入辅助定位麦克风进行间接估计，提高估计结果准确性和对环境噪声的抗干扰能力。仅需一个预置声源，计算复杂度小，适用于耳机设备。

Description

一种无线耳机及其麦克风定位方法

技术领域

本发明涉及无线耳机定位技术，尤其涉及一种无线耳机及其麦克风定位方法。

背景技术

麦克风阵列是由多个麦克风根据特定排列组成，各个麦克风同时采集声源信号并联合进行信号处理。不但能够获得声源方位的信息，还能实现对环境噪声、混响的抑制，因此麦克风阵列技术在声源定位、语音增强、声源分离等应用起着重要作用。

近年来，随着无线耳机技术的发展，人们对耳机的使用越来越广泛。当前市面上的无线耳机中往往设置有多个麦克风从而组成麦克风阵列。其中，只有单侧耳机的设备其麦克风间距是固定的。而同时拥有左右两侧耳机的设备，两侧之间的距离不是固定值，根据不同用户的佩戴会有不同距离。

单侧耳机上的各麦克风之间由于位置固定，可以构成规则麦克风阵列。但由于其麦克风之间的距离较小，将单侧耳机设备独立应用于声源定位时误差很大，不能得出准确结果。为了实现更为准确的声源定位功能，可以将左右耳机设备上的麦克风结合，构成一个分布式麦克风阵列，通过分布式麦克风阵列信号处理得到较为准确的结果。

在利用麦克风阵列进行对外的声源定位之前，需要先用已知的声源进行阵列校正。在分布式麦克风阵列中，麦克风位置信息是阵列信号处理过程中的必要信息，其位置信息的精度直接影响后续信号处理的准确性，因此如何准确估计麦克风位置是一个重要的技术难题。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线耳机及其麦克风定位方法，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明所述一种无线耳机的麦克风定位方法，包括以下步骤：

固定无线耳机，设置远离无线耳机的声源；

将无线耳机位于一侧的第一麦克风阵列作为参照体，利用时延估计法计算出位于无线耳机另一侧的第二麦克风阵列相对第一麦克风阵列的距离；

其中距离L远大于第一麦克风阵列中任意两麦克风的距离，使声源的信号相对第一麦克风阵列和第二麦克风阵列均为远场信号。

以第一麦克风阵列的一个指定麦克风作为参考麦克风，另一个指定麦克风作为第一辅助定位麦克风；以第二麦克风阵列的一个指定麦克风作为待定位麦克风，另一指定麦克风作为第二辅助定位麦克风；

将声源、参考麦克风、待定位麦克风、第一辅助定位麦克风及第二辅助定位麦克风投影至计算平面；

以参考麦克风为原点、参考麦克风指向待定位麦克风的射线为x轴，在所述计算平面构建二维坐标系；得到参考麦克风的坐标为(0,0)、待定位麦克风的坐标为(d,0)、第一辅助定位麦克风的坐标为(0,s)以及第二辅助定位麦克风的坐标为(d,s)，其中s为参考麦克风与第一辅助定位麦克风的距离定值，d为待计算的第二麦克风阵列相对第一麦克风阵列的距离；声源射向原点的方向与x轴夹角为θ；

利用时延估计法计算出参考麦克风和待定位麦克风声达的时间差t21，计算出参考麦克风和第二辅助定位麦克风声达的时间差t41，以及计算出待定位麦克风和第一辅助定位麦克风声达的时间差t32；

利用三个时间差分别计算出距离d的估计值：

d₁＝t₂₁·c/cos(θ)；

d₂＝(t₄₁·c-s·sin(θ))/cos(θ)；

d₃＝(t₃₂·c+s·sin(θ))/cos(θ)；

其中c为声音在空气中的传播速度；

综合三个估计值计算出距离d。

所述距离d是三个估计值的算术平均值，或几何平均值，或平方平均值，或调和平均值，或加权平均值。

利用时延估计法中的广义互相关函数法进行距离计算。

声源与原点的距离L大于距离s的100倍。

本发明所述一种无线耳机包括位于一侧的第一麦克风阵列，以及位于另一侧的第二麦克风阵列，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列的距离通过所述方法计算得出。

本发明所述一种无线耳机及其麦克风定位方法利用无线耳机设备上同一侧的麦克风间距固定、左右两侧麦克风距离不确定的特点，设置参考麦克风和辅助定位麦克风，结合时延估计方法，实现麦克风位置的估计，在二维平面上得到较高精度的估计结果；引入了辅助定位麦克风进行间接估计，提高了估计结果的准确性和对环境噪声的抗干扰能力。仅需一个预置声源，计算复杂度小，适用于耳机设备。

附图说明

图1是本发明所述麦克风定位方法的流程示意图；

图2是本发明所述麦克风定位方法的原理示意图；

图3是本发明所述麦克风定位方法的仿真位置示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明所述一种无线耳机的麦克风定位方法，包括以下步骤。

第一步，设置参考麦克风M1和辅助定位麦克风：

固定好待校正的无线耳机，而且无线耳机左右两侧的距离按需拉开。左侧耳机设有第一麦克风阵列，右侧耳机设有第二麦克风阵列。将第一麦克风阵列的一麦克风设置为参考麦克风M1，同一阵列中相距距离s的另一麦克风设置为第一辅助定位麦克风M3。将第二麦克风阵列中，与参考麦克风M1位置相对应的麦克风设置为待定位麦克风M2，与第一辅助定位麦克风M3位置相对应的麦克风设置为第二辅助定位麦克风M4，且待定位麦克风M2与第二辅助定位麦克风M4的距离同样为s。

第二步，设置麦克风的二维空间位置：

在计算平面中，以参考麦克风M1作为坐标原点，以参考麦克风M1与待定位麦克风M2连线方向作为坐标系x轴方向，以参考麦克风M1与第一辅助定位麦克风M3连线方向作为坐标系Y轴方向，构建二维直角坐标系。在所述的二维直角坐标系中，参考麦克风M1的坐标为(0,0)，待定位麦克风M2的坐标为(d,0),第一辅助定位麦克风M3的坐标为(0,s)，第二辅助定位麦克风M4的坐标为(d,s)。其中，s为参考麦克风M1与第一辅助定位麦克风M3的距离，d为参考麦克风M1和待定位麦克风M2之间的距离。参考麦克风M1与待定位麦克风M2的距离d也是第二麦克风阵列相对第一麦克风阵列的距离。

第二步，设置声源位置：

在与x轴夹角为θ，距离原点L的位置处放置声源，其中L>2米。所述声源产生远场声音信号，同时保证各个麦克风接收到的声音信号强度均为强信号，声源信号设定为s(t)，其中t表示声源发声对应的时间。

第三步，各麦克风分别接收信号：

四个麦克风同时接收声音信号，麦克风接收到的信号通用表达式为

x_i(t)＝α·s(t-τ)+n(t)；

其中，x_i(t)表示麦克风接收到的信号和时间t的函数关系，i＝1,2,3,4分别表示参考麦克风M1、待定位麦克风M2、第一辅助定位麦克风M3、第二辅助定位麦克风M4接收到的信号，α表示声音信号到麦克风的幅度衰减系数，τ表示声音信号到麦克风的时间延迟，n(t)表示环境噪声信号，s(t-τ)表示具有时间延迟τ的声音信号，s(t)和n(t)互不相关。

第四步，估计待定位麦克风M2的位置：

(4.1)用经典的时延估计法中的广义互相关函数法计算声音到达时间差，分别计算x₂(t)与x₁(t)的声达时间差t₂₁、x₄(t)与x₁(t)的声达时间差t₄₁、x₃(t)与x₂(t)的声达时间差t₃₂。

(4.2)由声源发出的声音信号在空间中传播到参考麦克风M1和待定位麦克风M2的时延关系公式为：

d₁·cos(θ)＝t₂₁·c；

可得，

d₁＝t₂₁·c/cos(θ)；

其中，d₁表示由声达时间差t₂₁计算得出的待定位麦克风M2与参考麦克风M1的距离，c为声音在空气中的传播速度。

(4.3)第二辅助定位麦克风M4与参考麦克风M1之间的声达时间差为t₄₁，两个麦克风的连接线与声源的夹角为(θ-θ₄₁)，其中θ₄₁为第二辅助定位麦克风M4与参考麦克风M1的连接线与x轴的夹角。由几何关系可得：

d₄₁＝s/sin(θ₄₁)；

其中，d₄₁表示第二辅助定位麦克风M4与参考麦克风M1之间的距离；

由声源发出的声音信号在空间中传播到参考麦克风M1、第二辅助定位麦克风M4的时延关系公式为：

d₄₁·cos(θ-θ₄₁)＝t₄₁·c；

将d₄₁代入上式并进行三角函数展开后可得：

s/sin(θ₄₁)·(cos(θ)·cos(θ₄₁)-sin(θ)·sin(θ₄₁))＝t₄₁·c；

化简得：

s·cos(θ)·cot(θ₄₁)+s·sin(θ)＝t₄₁·c；

由几何关系可知：

cot(θ₄₁)＝d₂/s；

d₂·cos(θ)+s·sin(θ)＝t₄₁·c；

可得，

d₂＝(t₄₁·c-s·sin(θ))/cos(θ)；

其中，d₂表示由声达时间差t41计算得出的待定位麦克风M2与参考麦克风M1的距离。

(4.4)同理，由第一辅助定位麦克风M3与待定位麦克风M2之间的声达时间差t₃₂也能计算出待定位麦克风M2与参考麦克风M1距离的估计值：d₃＝(t₃₂·c+s·sin(θ))/cos(θ)。

(4.5)将得到的三个估计值取平均值得出最后的计算结果，平均值可以是算术平均值，或几何平均值，或平方平均值，或调和平均值，或加权平均值。在本实施例中，采用算术平均值进行演算。待定位麦克风M2和参考麦克风M1的距离d＝(d1+d2+d3)/3，即待定位麦克风M2坐标为((d1+d2+d3)/3，0)，由此完成对无线耳机的麦克风位置校正工作。

本实施例同时还提供麦克风实际位置与计算位置的仿真试验，如图3所示。参考麦克风M1的坐标为(0,0)m，待定位麦克风M2的坐标为(0.2,0)m，第一辅助定位麦克风M3的坐标为(0,0.03)m，第二辅助定位麦克风M4的坐标为(0.2,0.03)m，声源坐标为(2.5981,1.5)m，其中声源与x轴的夹角为30度。即，d＝0.m，s＝0.03m，θ＝30°，L＝3m。

在不同信噪比下进行多次仿真试验，待定位麦克风M2的真实位置和计算位置由下表可见。

通过本实施例的仿真试验看到，采用本发明所述麦克风位置估计方法，能够得到待定位麦克风M2的较为准确位置，并且在信噪比较低时依然有较为准确的估计结果。适用于绝大多数的无线耳机对外进行声源定位的前期校正工作。

本发明所述的一种无线耳机，包括位于一侧的第一麦克风阵列，以及位于另一侧的第二麦克风阵列，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列的距离通过所述方法计算得出。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种无线耳机的麦克风定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

固定无线耳机，设置远离无线耳机的声源；

以第一麦克风阵列的一个指定麦克风作为参考麦克风(M1)，另一个指定麦克风作为第一辅助定位麦克风(M3)；以第二麦克风阵列的一个指定麦克风作为待定位麦克风(M2)，另一指定麦克风作为第二辅助定位麦克风(M4)；

将声源、参考麦克风(M1)、待定位麦克风(M2)、第一辅助定位麦克风(M3)及第二辅助定位麦克风(M4)投影至计算平面；

以参考麦克风(M1)为原点、参考麦克风(M1)指向待定位麦克风(M2)的射线为x轴，在所述计算平面构建二维坐标系；得到参考麦克风(M1)的坐标为(0，0)、待定位麦克风(M2)的坐标为(d，0)、第一辅助定位麦克风(M3)的坐标为(0，s)以及第二辅助定位麦克风(M4)的坐标为(d，s)，其中s为参考麦克风(M1)与第一辅助定位麦克风(M3)的距离定值，d为待计算的第二麦克风阵列相对第一麦克风阵列的距离；声源射向原点的方向与x轴夹角为θ；

利用时延估计法计算出参考麦克风(M1)和待定位麦克风(M2)声达的时间差t₂₁，计算出参考麦克风(M1)和第二辅助定位麦克风(M4)声达的时间差t₄₁，以及计算出待定位麦克风(M2)和第一辅助定位麦克风(M3)声达的时间差t₃₂；

利用三个时间差分别计算出距离d的估计值：

d₁＝t₂₁·c/cos(θ)；

d₂＝(t₄₁·c-s·sin(θ))/cos(θ)；

d₃＝(t₃₂·c+s·sin(θ))/cos(θ)；

其中c为声音在空气中的传播速度；

综合三个估计值计算出距离d；

其中声源与原点的距离L远大于第一麦克风阵列中任意两麦克风的距离，使声源的信号相对第一麦克风阵列和第二麦克风阵列均为远场信号。

2.根据权利要求1所述一种无线耳机的麦克风定位方法，其特征在于，所述距离d是三个估计值的算术平均值，或几何平均值，或平方平均值，或调和平均值，或加权平均值。

3.根据权利要求1所述一种无线耳机的麦克风定位方法，其特征在于，利用时延估计法中的广义互相关函数法进行距离计算。

4.根据权利要求1所述一种无线耳机的麦克风定位方法，其特征在于，声源与原点的距离L大于距离s的100倍。

5.一种无线耳机包括位于一侧的第一麦克风阵列，以及位于另一侧的第二麦克风阵列，其特征在于，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列的距离通过如权利要求1-4任一项所述方法计算得出。