CN211128187U - 用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，所述用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备包括：同步声卡，所述同步声卡包括子主声卡和至少一个子从声卡，每个所述子从声卡对应多个麦克风通道，所述子主声卡和所述至少一个子从声卡顺次串联，所述子主声卡具有所述同步声卡的输出端；上位机，所述上位机与所述同步声卡的输出端电连接；声发生装置，所述上位机与所述声发生装置电连接。本实用新型的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，采用时延测量原理和同步声卡，来实现复杂的安装环境下麦克风阵列阵元坐标的标定，且对于具有阵元数目较多的麦克风阵列的测量效率极高。

Description

用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备

技术领域

本实用新型涉及麦克风坐标标定领域，更具体地，涉及一种用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备。

背景技术

麦克风阵列在声源定位、远场拾音等领域有着广泛的应用，在设计麦克风阵列算法前，需要先确定麦克风阵列的阵元坐标，如果麦克风阵列的阵元坐标误差较大，麦克风阵列算法的效果将会明显降低，比如声源定位场景下，会导致声源定位精度降低。

对于固定麦克风阵列(如智能音响中麦克风阵列)，其阵元坐标在设计时已经确定，很容易获取。对于非固定麦克风阵列的阵元，其坐标只有在安装完成后才能够确定(如安装在厂房顶部的大尺度随机布放麦克风阵列)。对于阵元数目较多的麦克风阵列，直接测量的方法费时费力；对于安装环境复杂的场景，阵元的分布不规律，直接测量的难度很大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

本实用新型实施例提供一种用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，包括：同步声卡，所述同步声卡包括子主声卡和至少一个子从声卡，每个所述子从声卡对应多个麦克风通道，所述子主声卡和所述至少一个子从声卡顺次串联，所述子主声卡具有所述同步声卡的输出端；上位机，所述上位机与所述同步声卡的输出端电连接；声发生装置，所述上位机与所述声发生装置电连接。

在一些实施例中，所述子主声卡包括主收发器，所述子从声卡包括从收发器，每个所述从收发器对应所述多个麦克风通道，所述主收发器和所述从收发器顺次串联，所述主收发器连接至所述同步声卡的输出端。

在一些实施例中，所述子从声卡包括多通道模数转换器，每个所述多通道模数转换器具有所述多个麦克风通道，所述多通道模数转换器的输入端用于连接待标定的麦克风，所述多通道模数转换器的输出端与所述从收发器电连接。

在一些实施例中，所述子主声卡还包括主控制器，所述主收发器与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出接口形成所述同步声卡的输出端。

在一些实施例中，所述用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备还包括：交换机，所述同步声卡为多个，多个所述同步声卡的输出端通过所述交换机与所述上位机电连接。

在一些实施例中，所述主收发器和所述从收发器均为A²B收发器，所述主收发器和所述从收发器通过集成电路内置音频总线串联。

在一些实施例中，所述主收发器和所述从收发器均用于传输音频信号。

在一些实施例中，所述声发生装置包括至少三个相互间隔开设置的扬声器。

在一些实施例中，所述声发生装置包括支撑架，多个所述扬声器间隔开布置于所述支撑架的不同位置。

在一些实施例中，所述声发生装置包括四个扬声器，所述支撑架具有四个安装点，四个所述安装点形成四面体的四个顶点，四个所述扬声器分别布置于所述四个所述安装点。

在一些实施例中，所述声发生装置包括三个扬声器，所述支撑架具有三个安装点，三个所述安装点形成三角形的三个顶点，三个所述扬声器分别布置于三个所述安装点。

在一些实施例中，所述上位机设置为基于所述声发生装置的发射时间和接收到所述同步声卡的输出信号的时间，确定对应的时延。

本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，采用时延测量原理和同步声卡，来实现复杂的安装环境下麦克风阵列阵元坐标的标定，且对于具有阵元数目较多的麦克风阵列的测量效率极高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备的同步声卡的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备的同步声卡通过交换机拓展的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的声发生装置测距原理图；

图5为本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备在测时延时的原理图。

附图说明：

麦克风阵列10，麦克风11，

同步声卡20，子主声卡21，子从声卡22，多通道模数转换器23，主收发器24a，从收发器24b，主控制器25，集成电路内置音频总线26，

上位机30，

声发生装置40，扬声器A/B/C/D，支撑架42。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面参考图1-图5描述本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备。

如图1所示，该实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备包括：同步声卡20、上位机30和声发生装置40。

同步声卡20用于连接待标定的麦克风11，比如同步声卡20具有多个麦克风接口，麦克风接口作为同步声卡20的输入端用于连接待标定的麦克风11，同步声卡20用于采集多路音频信号。上位机30与同步声卡20的输出端电连接，上位机30与声发生装置40电连接。

需要说明的是，麦克风11与同步声卡20之间，同步声卡20与上位机30之间，上位机30与声发生装置40之间的全部或部分连接关系可以通过有线传输的方式，也即通过电缆连接。采用有线传输的方式可以保证对应部件之间无延迟。当然，麦克风11接收声发生装置40发出的声信号一般为无线传输。

当然，麦克风11与同步声卡20之间，同步声卡20与上位机30之间，上位机30与声发生装置40之间的全部或部分连接关系也可以通过无线连接的方式。采用无线连接的方式可以省去对应部件之间的布线工序，便于应对复杂的测试环境。当然，麦克风11接收声发生装置40发出的声信号一般为无线传输。

在实际的执行中，上位机30给声发生装置40控制信号，控制声发生装置40发出声信号，待标定的麦克风阵列10中的各个麦克风11(阵元)接收到该声信号后，输出对应的模拟音频信号给同步声卡20，同步声卡20将模拟音频信号转换为数字音频信号后发送给上位机30，上位机30可以基于声信号的发出和到达的时延确定麦克风阵列10中各个麦克风11的坐标。

也就是说，利用同步声卡20、上位机30和声发生装置40组成的该设备可以采用时延测量原理，来实现麦克风阵列阵元坐标的标定，且适用于复杂的安装环境。

其中，如图2所示，同步声卡20包括子主声卡21和至少一个子从声卡22，子从声卡22可以为多个。

每个子从声卡22对应多个麦克风通道，比如图2中的每个子从声卡22对应4个麦克风通道，则该子从声卡22可以与4个麦克风11通过麦克风通道连接。

当然，每个子从声卡22对应的麦克风通道的数目不限定为4个，还可以为3个、6个、8个等，在此就不一一举例。

子主声卡21和至少一个子从声卡22顺次串联，图2中，子从声卡22为多个，子主声卡21和多个子从声卡22顺次串联，即多个子从声卡22串联后，位于端部的一个子从声卡22再与子主声卡21连接。比如子主声卡21与第一个子从声卡22电连接，第一个子从声卡22再和第二个子从声卡22电连接，第二个子从声卡22再和第三个子从声卡22电连接……

子主声卡21具有同步声卡20的输出端。

可以理解的是，由于每个子从声卡22均可以采集多路音频信号，比如每个子从声卡22对应N个麦克风通道，同步声卡20包括M个子从声卡22，那么该同步声卡20可以采集M*N路音频信号，这样该用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备可以同时测量M*N个麦克风11的坐标，比如M＝8，N＝4时，该设备可以同时测量32个麦克风11的坐标。

根据本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，采用时延测量原理和同步声卡20，来实现复杂的安装环境下麦克风阵列阵元坐标的标定，且对于具有阵元数目较多的麦克风阵列10的测量效率极高。

如图2所示，同步声卡20包括主收发器24a和至少一个从收发器24b，每个从收发器24b对应多个麦克风通道，每个麦克风通道用于连接一个待标定的麦克风11，比如图2中的每个从收发器24b对应4个麦克风通道，则该从收发器24b可以与4个麦克风11通过麦克风通道连接。主收发器24a和从收发器24b均用于传输或汇集音频信号。

当然，每个从收发器24b对应的麦克风通道的数目不限定为4个，还可以为3个、6个、8个等，在此就不一一举例。

主收发器24a和至少一个从收发器24b顺次串联，图2中，从收发器24b为多个，主收发器24a和多个从收发器24b顺次串联，即多个从收发器24b串联后，位于端部的一个从收发器24b再与主收发器24a连接。比如主收发器24a与第一个从收发器24b电连接，第一个从收发器24b再和第二个从收发器24b电连接，第二个从收发器24b再和第三个从收发器24b电连接……

主收发器24a连接至同步声卡20的输出端。

可以理解的是，由于每个从收发器24b均可以采集多路音频信号，比如每个从收发器24b对应N个麦克风通道，同步声卡20包括M个从收发器24b，那么该同步声卡20可以采集M*N路音频信号，这样该用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备可以同时测量M*N个麦克风11的坐标，比如M＝8，N＝4时，该设备可以同时测量32个麦克风11的坐标。

根据本实用新型实施例的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，采用时延测量原理和同步声卡20，来实现复杂的安装环境下麦克风阵列阵元坐标的标定，且对于具有阵元数目较多的麦克风阵列10的测量效率极高。

在一些实施例中，如图2所示，同步声卡20包括子主声卡21和至少一个子从声卡22，子从声卡22可以为多个。

子主声卡21包括主收发器24a，子从声卡22包括从收发器24b，子主声卡21的主收发器24a与子从声卡22的从收发器24b顺次串联，且子主声卡21的主收发器24a连接至同步声卡20的输出端。

可以理解的是，该同步声卡20为分布式声卡，比如该同步声卡20包括1个子主声卡21和8个子从声卡22，总共1个主节点和8个从节点，每个从节点可以对N个麦克风11信号进行采集，节点与节点之间连接后进行数据通信，具体地，从节点(子从声卡22)之间依次串联后连接主节点，比如，对于同步声卡20包括1个子主声卡21和8个子从声卡22的实施例，子主声卡21与第一个子从声卡22电连接，第一个子从声卡22与第二个子从声卡22电连接，第二个子从声卡22与第三个子从声卡22电连接，……，第七个子从声卡22与第八个子从声卡22电连接。各个子从声卡22(从节点)的音频数据会在子主声卡21(主节点)的主收发器24a处汇总。

如图2所示，子主声卡21还包括主控制器25(SOC)，子主声卡21的主收发器24a的输出端与主控制器25的输入端连接，主控制器25的输出接口形成同步声卡20的输出端。

在实际的执行中，子主声卡21的主收发器24a可以通过I2S(Inter—IC Sound)协议发送到主控制器25(SOC)上，再通过网络将音频数据发送给上位机30，为保证音频数据的同步，可以采用IEEE 1588 PTP协议来进行传输。

如图2所示，子从声卡22包括多通道模数转换器23，图2中的多通道模数转换器23可以为4CH ADC(4通道模数转换器)，每个多通道模数转换器23具有多个麦克风通道，多通道模数转换器23的输入端用于连接待标定的麦克风11，多通道模数转换器23的输出端与从收发器24b电连接。

多通道模数转换器23的输入端用于接收麦克风11输出的模拟信号，并将该模拟信号转换为数字信号后输出给从收发器24b。

在一些实施例中，主收发器24a和从收发器24b可以均为A²B收发器，多个从收发器24b通过集成电路内置音频总线26(A²B总线)串联。这样节点和节点之间通过A²B(Automotive Audio Bus)协议来进行数据通信，可以确保音频数据的同步，A²B协议可以保证最多32通道音频数据的同步，对应地，多通道模数转换器23可以为4通道模数转换器，子从声卡22可以为8个，从收发器24b总共为8个，这样就能实现32个麦克风11坐标的同时标定。

当然，主收发器24a和从收发器24b还可以为其他类型的可以传输或汇集音频信号的从收发器。

下面参考图2描述一种具体结构形式的同步声卡20。

该同步声卡20采用分布式声卡方案，该同步声卡20包括1个子主声卡21和8个子从声卡22，共计1和主节点和8个从节点，每个从节点通过4通道的模数转换器可对4个麦克风11信号进行采集，节点和节点之间通过A²B协议来进行数据通信，A²B协议可以保证最多32通道音频数据的同步。各个从节点的音频数据会在主节点的A²B收发器处汇总，然后通过I2S(Inter—IC Sound)协议发送到主控制器25(SOC)上，再通过网络将音频数据发送给上位机30，为保证音频数据的同步，采用IEEE 1588 PTP协议来进行传输。

在另一些实施例中，如图3所示，该用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备还可以包括：交换机50，同步声卡20为多个，多个同步声卡20的输出端通过交换机50与上位机30电连接。这样，通过交换机50可以拓展该设备同时能标定的麦克风阵列阵元的阵元数目。

也就是说，在单个同步声卡20的最大麦克风通道数难以满足麦克风阵列10的标定需求时(比如阵元数目多于32个)，还可以采用交换机50将多个同步声卡20的主节点以星形拓扑连接起来，从而实现更多通道的同步采集。在实际的执行中，每个子主声卡21的主控制器25的输出接口分别连接该交换机50，该交换机50形成中央节点。

其中，主控制器25与交换机50之间以及交换机50与上位机之间可以采用IEEE1588 PTP协议来进行传输，以保证音频数据的同步。

为保证同步声卡20能够适配多种麦克风11，该同步声卡20具有幻象供电功能，可通过开关来控制各采集通道是否提供幻象供电能力，并且可通过软件对各通道的放大增益进行调节。同步声卡20与上位机30直接通过网线连接，将采集到的各通道音频传输到上位机30。

该上位机30可采用普通计算机或笔记本电脑，运行在其中的上位机软件可控制脉冲声发生装置40按照给定的序列发出脉冲声，并且可通过分析同步声卡20采集到的多路音频，计算得到各个阵元的坐标。

声发生装置40可以为脉冲式声发生装置，这样便于测量时延，对应地，脉冲式声发生装置发出脉冲声信号。

当接到上位机30发出的命令时，脉冲式声发生装置的多个扬声器A/B/C/D将会按照固定的顺序，依次发出脉冲声信号。这些脉冲声信号将会被麦克风阵列10拾取，继而被同步声卡20采集到，送入上位机30进行分析，以计算出麦克风阵列10的阵元坐标。

上位机30设置为基于声发生装置40的发射时间和接收到同步声卡20的输出信号的时间，确定对应的时延。比如可以根据脉冲序列到达时间和脉冲序列发生时间之间的时延，计算得到该麦克风11到达各个扬声器的距离，其中，该脉冲序列到达时间指的是脉冲序列到达某个麦克风11的时间，脉冲序列发生时间指的是扬声器发出脉冲序列的时间。然后利用各个距离列写方程组，解出麦克风11具体坐标。

如图1和图4所示，声发生装置40包括至少三个相互间隔开设置的扬声器。这样，通过至少三个扬声器依次发出声信号，可以确定麦克风11的三坐标值。

下面以声发生装置40包括四个相互间隔开设置的扬声器A/B/C/D为例进行说明。

如图4和图5所示，上位机30可以得到脉冲到达时间和发生之间的时延Δt_A、Δt_B、Δt_C和Δt_D，利用声波在空气中的传播公式：l＝v t，可以l_A、l_B、l_C、l_D。

如图4所示，建立坐标系O-XYZ，其坐标原点O可以位于ΔABC的形心。X轴与BC平行，并由C点指向B点，Y轴与X轴垂直，Z轴垂直于ΔABC所在平面。A、B、C、D、M点坐标分别用(X_A，Y_A，Z_A)、(X_B，Y_B，Z_B)、(X_C，Y_C，Z_C)、(X_D，Y_D，Z_D)、(X_M，Y_M，Z_M)表示，则可得方程组：

上述方程组中有4个方程、3个未知数(X_M，Y_M，Z_M)，因而可以利用数值解法(如高斯牛顿法)来求该方程组的最小二乘解，从而获得M点即麦克风11的具体坐标。

需要说明的的是，设置多于三个的扬声器可以列出更多的方程，从而可以减小测量误差。

四个扬声器A/B/C/D的形式可以在一定程度上消除误差的同时，简化结构，且安装方便。

当然，如果设置更多的扬声器，这样可以得到更多的方程，可以得到更精确的结果。

对于包含三个间隔开设置的扬声器的声发生装置40，A、B、C、M点坐标分别用(X_A，Y_A，Z_A)、(X_B，Y_B，Z_B)、(X_C，Y_C，Z_C)、(X_M，Y_M，Z_M)表示，则可得方程组：

上述方程组中有3个方程、3个未知数(X_M，Y_M，Z_M)，具有唯一解。

如图1和图4所示，声发生装置40包括支撑架42，扬声器A/B/C/D间隔开布置于支撑架42的不同位置，这样扬声器A/B/C/D自身的坐标便于确定，从而可以方便地计算麦克风11的坐标。

如图1和图4所示，声发生装置40包括四个扬声器A/B/C/D，支撑架42具有四个安装点，四个安装点形成四面体的四个顶点，四个扬声器A/B/C/D分别布置于四个安装点。四面体的安装形式简单，相比较三角形能够减少Z方向的测量误差，并且相比较五面体和六面体，结构更加简单，安装更加方便。

在另一些实施例中，声发生装置40包括三个扬声器，支撑架42具有三个安装点，三个安装点形成三角形的三个顶点，三个扬声器分别布置于三个安装点。这种安装形式更为简单。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，包括：

同步声卡，所述同步声卡包括子主声卡和至少一个子从声卡，每个所述子从声卡对应多个麦克风通道，所述子主声卡和所述至少一个子从声卡顺次串联，所述子主声卡具有所述同步声卡的输出端；

上位机，所述上位机与所述同步声卡的输出端电连接；

声发生装置，所述上位机与所述声发生装置电连接。

2.根据权利要求1所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述子主声卡包括主收发器，所述子从声卡包括从收发器，每个所述从收发器对应所述多个麦克风通道，所述主收发器和所述从收发器顺次串联，所述主收发器连接至所述同步声卡的输出端。

3.根据权利要求2所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述子从声卡包括多通道模数转换器，每个所述多通道模数转换器具有所述多个麦克风通道，所述多通道模数转换器的输入端用于连接待标定的麦克风，所述多通道模数转换器的输出端与所述从收发器电连接。

4.根据权利要求2所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述子主声卡还包括主控制器，所述主收发器与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出接口形成所述同步声卡的输出端。

5.根据权利要求2所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述主收发器和所述从收发器均为A²B收发器，所述主收发器和所述从收发器通过集成电路内置音频总线串联。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，还包括：交换机，所述同步声卡为多个，多个所述同步声卡的输出端通过所述交换机与所述上位机电连接。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述声发生装置包括至少三个相互间隔开设置的扬声器。

8.根据权利要求7所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述声发生装置包括支撑架，多个所述扬声器间隔开布置于所述支撑架的不同位置。

9.根据权利要求8所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述声发生装置包括四个扬声器，所述支撑架具有四个安装点，四个所述安装点形成四面体的四个顶点，四个所述扬声器分别布置于所述四个所述安装点。

10.根据权利要求8所述的用于标定麦克风阵列阵元坐标的设备，其特征在于，所述声发生装置包括三个扬声器，所述支撑架具有三个安装点，三个所述安装点形成三角形的三个顶点，三个所述扬声器分别布置于三个所述安装点。

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