KR101815584B1 - Compensation method for bias errors in 3D intensity probe used for the source localization in precision - Google Patents

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KR101815584B1
KR101815584B1 KR1020160087861A KR20160087861A KR101815584B1 KR 101815584 B1 KR101815584 B1 KR 101815584B1 KR 1020160087861 A KR1020160087861 A KR 1020160087861A KR 20160087861 A KR20160087861 A KR 20160087861A KR 101815584 B1 KR101815584 B1 KR 101815584B1
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이정권
정인지
우정한
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한국과학기술원
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Abstract

Provided is a method for compensating a bias error of a three-dimensional sound intensity probe device for precisely estimating a location of a sound source. According to an embodiment of the present invention, a method for estimating a location of a sound source generates and compensates mutual power spectral density functions between signals measured in a plurality of microphones, and then combines the mutual power spectral density functions to calculate a sound intensity vector. Therefore, a bias error on a three-dimensional sound intensity vector measured in a sound intensity probe composed of a micro microphone array is compensated, thereby precisely estimating a location of a sound source.

Description

음원의 위치를 정밀 추정하기 위한 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치의 편향오차 보상방법{Compensation method for bias errors in 3D intensity probe used for the source localization in precision}BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method of compensating a deflection error of a three-dimensional acoustic intensity sensing device for precisely estimating a position of a sound source,

본 발명은 음원 위치 추정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 음향 인텐시티 탐촉 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0002] The present invention relates to a sound source position estimation technique, and more particularly, to a three-dimensional acoustic intensity sensing device.

종래 기술에 따른 위치추정 시스템은 추정성능 확보를 위해 성능이 우수한 마이크로폰을 사용하거나 마이크로폰의 수를 늘리게 된다. 현재 널리 사용되는 상용 3차원 인텐시티 프로브는 6개의 마이크로폰이 서로 직교하는 구조를 갖고 있다. 이로부터 측정된 음압을 산술 평균한 것을 토대로 이용한다. 하지만 각 마이크로폰을 지지하기 위한 구조물들에 의한 영향으로 인텐시티 측정 시 오차를 수반할 여지를 동반한다.The position estimation system according to the related art uses a microphone with high performance or increases the number of microphones to secure estimation performance. Currently widely used commercial three-dimensional intensity probes have six microphones orthogonal to each other. Based on the arithmetic mean of the measured sound pressure. However, due to the influence of the structures for supporting each microphone, there is room for carrying the error in the intensity measurement.

음향 인텐시티를 이용하여 음원의 위치를 추정한 선행 연구에서는, 로봇의 사람 얼굴에 해당하는 헤드부, 특히 귀에 해당하는 부분을 포함하여 여러 군데에 하나 이상의 마이크로폰을 포함하는 어레이를 다수 장착하여 측정되는 음압으로부터 공간적으로 입사되는 음향 인텐시티 벡터를 찾는 음원 위치 추정 시스템도 존재한다.In a previous study in which the position of a sound source is estimated by using an acoustic intensity, a plurality of arrays including one or more microphones, including a head portion corresponding to a human face of a robot, There is also a sound source position estimation system for finding an acoustic intensity vector that is spatially incident from the sound source position estimation system.

또한, 위치 추정 성능을 높이고자 비틀려진 두 개의 탐촉자를 사용한 경우도 있으나, 이는 좁은 주파수 대역에서 혹은 특정 주파수에서 위치추정 오차를 보인다.In addition, there are some cases in which two bidirectional transducers are used to improve the position estimation performance, but this shows a position estimation error in a narrow frequency band or at a specific frequency.

2개의 음향 인텐시티를 측정하여 그 평균값으로 음원의 위치를 추정함으로써 복수개의 음향 인텐시티를 이용하여 음원의 위치 추정 정확도를 높일 수 있지만, 편향오차가 나타나는 문제가 있다.Although two acoustic intensities are measured and the position of the sound source is estimated with the average value, it is possible to increase the accuracy of estimating the position of the sound source by using a plurality of acoustic intensities. However, there is a problem that a bias error appears.

소형의 음원 위치추정 시스템을 구현하기 위해서 마이크로폰 사이의 간격이 좁아져야 하는데, 이에 따라 측정할 수 있는 주파수 대역이 좁아지거나 위치추정 해상도가 낮아질 수 있다.In order to realize a small sound source localization system, the distance between the microphones must be narrowed, so that the frequency band to be measured can be narrowed or the resolution of the position estimation can be lowered.

빔포밍 방법을 적용할 경우에는 기본적으로 마이크로폰의 개수가 많이 필요하고, 그에 따라 시스템의 물리적인 크기가 커지게 되므로 소형화에 부적합하고, TDOA 방법을 적용할 경우에는 마이크로폰 사이의 간격에 따라 분해능이 결정되는데 마이크로폰 사이의 간격이 줄어들수록 분해능이 나빠지게 되므로 정확한 음원 위치추정을 위해서 샘플링 주파수가 높아져야 하는 한계점이 있다.When the beamforming method is applied, the number of microphones is basically required and the physical size of the system becomes large. Therefore, when the TDOA method is applied, the resolution is determined according to the interval between the microphones As the distance between the microphones decreases, the resolution becomes worse. Therefore, there is a limit in that the sampling frequency must be increased for accurate sound source position estimation.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 초소형의 마이크로폰 어레이로 구성된 음향 인텐시티 탐촉자에서 계측되는 3차원 음향 인텐시티 벡터를 이용해 음원의 위치를 정밀하게 추정하기 위한 편향오차 보상방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for accurately estimating the position of a sound source using a three dimensional acoustic intensity vector measured by an acoustic intensity transducer composed of a micro- And an error compensation method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 음원 위치 추정 방법은, 다수의 마이크로폰들에서 측정된 신호들 간의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 생성하는 단계; 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 단계; 및 보상된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for estimating a sound source position, the method comprising: generating mutual power spectral density functions between signals measured in a plurality of microphones; Compensating the generated mutual power spectral density functions; And combining the compensated mutual power spectral density functions to yield an acoustic intensity vector.

그리고, 상기 보상 단계는, 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들의 위상 함수들을 선형화할 수 있다.And, the compensating step may linearize the phase functions of the generated mutual power spectral density functions.

또한, 상기 위상 함수(θ)는, 다음의 식으로 표현되며,Further, the phase function? Is expressed by the following equation,

θ = 2πτ0f,? = 2? t 0 f,

여기서 τ0는 마이크로폰들 간의 거리에 따른 시간지연일 수 있다.Where < RTI ID = 0.0 > # 0 < / RTI > may be a time delay depending on the distance between the microphones.

그리고, 상기 보상 단계는, 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 저역 통과 필터링할 수 있다.The compensating step may perform low pass filtering on the generated mutual power spectral density functions.

또한, 상기 저역 통과 필터링에 의한 차단 주파수 시간은, 마이크로폰들 간의 거리에 따라 결정될 수 있다.Also, the cut-off frequency time by the low-pass filtering may be determined according to the distance between the microphones.

그리고, 상기 저역 통과 필터링은, FIR 필터링 또는 IIR 필터링일 수 있다.The low-pass filtering may be FIR filtering or IIR filtering.

또한, 상기 음향 인텐시티 벡터의 성분들은, 상기 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들의 허수부들로부터 산출될 수 있다.In addition, the components of the acoustic intensity vector may be computed from the imaginary parts of the mutual power spectral density functions.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 위치 추정 방법은, 음향의 주파수에 따라, 산출된 음향 인텐시티 벡터를 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method of estimating a sound source position according to an embodiment of the present invention may further include correcting the calculated sound intensity vector according to the frequency of the sound.

또한, 상기 보정 단계는, 상기 음향의 입사 방향에 따른 편향오차를 보상할 수 있다.In addition, the correcting step may compensate for a deviation error according to an incidence direction of the sound.

그리고, 상기 음향의 주파수에 따른 지향계수, 방위각 및 고도각 중 적어도 하나를 규정한 맵을 참고하여, 산출된 음향 인텐시티 벡터를 보정할 수 있다.The calculated acoustic intensity vector can be corrected by referring to a map defining at least one of a direction coefficient, an azimuth angle and an altitude angle according to the frequency of the sound.

또한, 상기 다수의 마이크로폰들은, 정사면체의 꼭지점들에 배열된 4개의 마이크로폰들일 수 있다.In addition, the plurality of microphones may be four microphones arranged at vertices of a regular tetrahedron.

그리고, 상기 보상 단계는, 다수의 마이크로폰들에 의한 편향오차를 제거하기 위해, 상기 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상할 수 있다.The compensating step may compensate the generated mutual power spectral density functions to eliminate a bias error caused by a plurality of microphones.

또한, 상기 편향오차는, 상기 음원으로부터의 입사파와 반사파의 간섭에 의해 발생할 수 있다.In addition, the deviation error may be caused by an interference between the incident wave and the reflected wave from the sound source.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 음원 위치 추정 장치는, 다수의 마이크로폰들에서 측정된 신호들 간의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 생성하는 생성부; 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 보상부; 및 보상된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출하는 산출부;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating a sound source position, comprising: a generator for generating mutual power spectral density functions between signals measured in a plurality of microphones; A compensation unit for compensating the generated mutual power spectral density functions; And a calculation unit for calculating the acoustic intensity vector by combining the compensated mutual power spectral density functions.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 초소형의 마이크로폰 어레이로 구성된 음향 인텐시티 탐촉자에서 계측되는 3차원 음향 인텐시티 벡터에 대해 편향오차를 보상하여, 음원의 위치를 정밀하게 추정할 수 있게 된다.As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to precisely estimate the position of a sound source by compensating a deviation error of a three-dimensional sound intensity vector measured by an acoustic intensity transducer composed of a micro-array of microphones .

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 소형화 로봇, ICT 기기 및 군사 장비들에 대해, 고정밀, 초소형, 경제적 음원 위치 추적 시스템으로 적용 가능하다는 장점이 있다.In addition, according to the embodiments of the present invention, it is possible to apply to a miniaturized robot, an ICT device, and military equipment as a high-precision, compact, and economical sound source location tracking system.

도 1은 3차원 음향 인텐시티 탐촉자를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치의 블럭도,
도 3은 kd 변화에 따른 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 나타낸 맵, 그리고,
도 4는 실제 무향실 조건에서 충격음에 대해 실험한 결과를 나타낸 그래프들이다.
1 shows a three-dimensional acoustic intensity transducer,
FIG. 2 is a block diagram of a three-dimensional acoustic intensity sensing device according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a map showing a direction coefficient, an azimuth angle, an error range and a standard deviation of an altitude angle according to the change of kd,
4 is a graph showing the results of an experiment on an impact sound in an actual anechoic room condition.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1. 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치1. Three-dimensional acoustic intensity probe

도 1은 3차원 음향 인텐시티 탐촉자를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3차원 음향 인텐시티 탐촉자는, 정사면체의 꼭지점들에 배열된 4개의 마이크로폰들을 포함한다.1 is a view showing a three-dimensional acoustic intensity transducer. As shown in Fig. 1, a three-dimensional acoustic intensity probe includes four microphones arranged at vertices of a regular tetrahedron.

도시된 3차원 음향 인텐시티 탐촉자는 초소형의 3차원으로 배열된 마이크로폰 어레이를 이용하여 미지의 음원을 추정하기 위해, 소형화에 적합한 음원 위치 추정 방법으로써 음향 인텐시티를 이용하는데, 주파수에 따라 편향오차가 발생한다.The three-dimensional acoustic intensity transducer shown uses an acoustic intensity as a sound source position estimation method suitable for miniaturization in order to estimate an unknown sound source by using a micro array of three-dimensionally arranged microphones, and a deviation error occurs depending on the frequency .

따라서, 본 발명의 실시예에서는, 3차원 음향 인텐시티 탐촉자로 음원 위치 추정을 수행함에 있어 편향오차를 유발하는 원인을 파악하여, 이를 기초로 편향오차를 보상함으로써, 음원 위치를 정밀 추정하는 방법을 제시한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, a method of precisely estimating a sound source position by grasping a cause of a bias error in performing a sound source position estimation using a three-dimensional acoustic intensity transducer and compensating for a bias error based on the cause do.

구체적으로, 주파수에 따라 크게 변동하는 편향오차의 원인이 입사파와 반사파의 간섭에 의한 현상임을 밝히고, 두 파의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수(Cross Power Spectral Density)의 위상차이를 선형화하거나 이를 필터링하여 보상하는 방법을 제시한다.Specifically, it is clarified that the cause of the deviation error, which largely varies according to the frequency, is the phenomenon caused by the interference between the incident wave and the reflected wave, and the phase difference of the cross power spectral density function of the two waves is linearized or filtered to compensate We suggest a method.

나아가, 임의의 위치에 있는 원거리 음원과 탐촉자 간의 지향성 분석을 통해, 지향성 분포 DB를 만들어 입사 방향에 따른 편향오차를 보상하는 방법을 아울러 제시한다.Furthermore, a directional distribution DB is constructed by analyzing the directivity between a remote source and a transducer at an arbitrary position, and a method of compensating a deviation error according to the incidence direction is also presented.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로폰들(111~114), CPSD(Cross Power Spectral Density) 함수 생성부(120), CPSD 함수 보상부(130), 음향 인텐시티 산출부(140) 및 음향 인텐시티 보정부(150)를 포함한다.FIG. 2 is a block diagram of a three-dimensional acoustic intensity sensing apparatus according to an embodiment of the present invention. 2, the three-dimensional acoustic intensiveness probe according to an embodiment of the present invention includes microphones 111 to 114, a cross power spectral density (CPSD) function generation unit 120, a CPSD function compensation unit 130, an acoustic intensity calculation unit 140, and an acoustic intensity correction unit 150.

마이크로폰들(111~114)은, 도 1에 나타난 바와 같이, 정사면체의 꼭지점들에 배열된 4개의 마이크로폰들을 의미한다.The microphones 111 to 114 refer to four microphones arranged at vertices of a regular tetrahedron, as shown in FIG.

CPSD 함수 생성부(120)는 마이크로폰들(111~114)에서 생성된 음향 신호들 간의 CPSD 함수들을 생성한다. CPSD 함수 보상부(130)는 CPSD 함수 생성부(120)에서 생성된 CPSD 함수에 대해 편향오차를 보상한다.The CPSD function generation unit 120 generates CPSD functions between the sound signals generated by the microphones 111 to 114. [ The CPSD function compensating unit 130 compensates for the bias error with respect to the CPSD function generated by the CPSD function generating unit 120. [

편향오차 보상은, CPSD 함수의 선형화 또는 필터링에 의해 이루어지는데, 이에 대해서는 상세히 후술한다.The deflection error compensation is achieved by linearization or filtering of the CPSD function, which will be described in detail later.

음향 인텐시티 산출부(140)는 CPSD 함수 보상부(130)에서 보상된 CPSD 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출한다. 음향 인텐시티 벡터의 성분들은, CPSD 함수들의 허수부들로부터 산출할 수 있다.The acoustic intensity calculation unit 140 combines the compensated CPSD functions in the CPSD function compensation unit 130 to calculate an acoustic intensity vector. The components of the acoustic intensity vector can be calculated from the imaginary parts of the CPSD functions.

음향 인텐시티 보정부(150)는 음향의 주파수에 따라, 음향 인텐시티 산출부(140)에서 산출된 음향 인텐시티 벡터를 보정한다. 보정된 음향 인텐시티 벡터로부터 음원의 위치를 추정할 수 있다. 음향 인텐시티 벡터 보정 방법에 대해서는 상세히 후술한다.The acoustic intensity correction unit 150 corrects the acoustic intensity vector calculated by the acoustic intensity calculation unit 140 according to the frequency of the sound. The position of the sound source can be estimated from the corrected sound intensity vector. The acoustic intensity vector correction method will be described later in detail.

2. 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치의 편향오차2. Deflection Error of 3-D Acoustic Intensity Sensor

도 2에 도시된 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치는, 1차 테일러 급수 전개를 통해 음향 중심(탐촉자의 기하 중심과 동일)에서 3차원 음향 인텐시티 벡터를 계산하기 위해, 마이크로폰(111~114) 사이의 CPSD 함수를 사용한다.The three-dimensional acoustic intensity intensifying apparatus shown in FIG. 2 is a system in which the CPSDs between the microphones 111 to 114 are calculated in order to calculate a three-dimensional acoustic intensity vector at the acoustic center (the same as the geometric center of the probe) Function.

전술한 바와 같이, 이 과정에서 주파수 대역의 랜덤 오차와는 구별되는 특정 주기성을 갖는 주파수 변동 현상(spectral fluctuation)에 따른 편향오차가 발생한다.As described above, in this process, a deviation error occurs due to a spectral fluctuation having a specific periodicity different from a random error of a frequency band.

서로 다른 마이크로폰들(111~114)에서 측정된 음향 신호들 간의 CPSD 함수들의 허수부를 구성하는 성분에서, 마이크로폰 사이의 간격에 의한 시간지연 이외에 상관성이 높은 시간성분에 의한 사인함수가 주파수 변동 현상을 유발시킨다. 다시 말해, 입사파와 반사파의 간섭에 의한 현상인 것을 알아낸 것이다.In the components constituting the imaginary part of the CPSD functions between the acoustic signals measured in the different microphones 111 to 114, the sine function based on the time component with high correlation other than the time delay due to the interval between the microphones causes the frequency fluctuation phenomenon . In other words, it is a phenomenon caused by the interference between the incident wave and the reflected wave.

음향 인텐시티 벡터 성분은 마이크로폰(111~114)에서 측정된 신호들의 CPSD 함수의 허수부로 구성된다. 단극 음원에 의한 평면파가 전파되어 2개의 서로 다른 마이크로폰으로부터 받은 신호 p1과 p2에 의한 CPSD 함수는 다음과 같이 충격 함수의 급수로 표현 할 수 있다:The acoustic intensity vector component consists of the imaginary part of the CPSD function of the signals measured at the microphones 111-114. The CPSD function by the signals p 1 and p 2 , which are propagated by a single-pole source from two different microphones, can be expressed as a series of impulse functions as follows:

Figure 112016067161383-pat00001
(1)
Figure 112016067161383-pat00001
(One)

여기서 τ0는 각 마이크로폰으로 들어오는 신호의 시간지연을 의미한다.Where τ 0 is the time delay of the incoming signal to each microphone.

Figure 112016067161383-pat00002
이라고 가정한다면, 식 (1)을 주파수 영역에서 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112016067161383-pat00002
(1) can be expressed in the frequency domain as:

Figure 112016067161383-pat00003
(2)
Figure 112016067161383-pat00003
(2)

위 식 (2)로부터, CPSD 함수의 허수부는 사인함수의 급수로 표현됨을 알 수 있다. 이를 통해 p1과 p2의 CPSD 함수에서의 크기(An)가 큰, 즉 상관성이 높은 시간성분(τn)에 의한 사인함수가 주파수 변동 현상을 유발시키는 인자가 되었음을 예상할 수 있다.From the above equation (2), it can be seen that the imaginary part of the CPSD function is expressed as a series of sine functions. From this, it can be expected that the sine function by the time component (τ n ) having a large size (A n ) in the CPSD function of p 1 and p 2 , that is, highly correlated, becomes a factor causing the frequency fluctuation phenomenon.

이와 같이 CPSD 함수의 조합(삼각함수들의 조합)으로 구성되는 음향 인텐시티 벡터의 성분에서, 직접음과 반사음 사이의 상관 지연 시간을 유발하는 삼각함수 성분들을 제거하기 위한 방안으로, 이하에서 두 가지 방법인, CPSD 선형화와 CPSD 필터링을 제시한다.In order to remove the trigonometric components that cause the correlation delay time between the direct sound and the reflections in the component of the acoustic intensity vector composed of a combination of CPSD functions (combination of trigonometric functions), the following two methods , CPSD linearization and CPSD filtering.

3. CPSD 선형화에 의한 보상3. Compensation by CPSD Linearization

두 개의 마이크로폰을 통해서 받은 신호 p1(t), p2(t) 사이에 거리에 따른 시간지연 τ0을 고려, α는 시간지연에 의한 감쇠계수이고, n1과 n2는 마이크로폰에서 측정된 신호의 비상관 잡음(uncorrelated noise)이라 할 때, 식으로 나타내면 다음과 같다:Consider the time delay τ 0 between the signals p 1 (t) and p 2 (t) received through the two microphones, α is the attenuation factor by time delay, and n 1 and n 2 are measured by the microphone The uncorrelated noise of a signal is expressed as follows:

Figure 112016067161383-pat00004
(3)
Figure 112016067161383-pat00004
(3)

p1(t)와 p2(t)를 상호 상관 함수 및 CPSD 함수로 나타내면 다음과 같다:Let p 1 (t) and p 2 (t) denote the cross-correlation function and the CPSD function as follows:

Figure 112016067161383-pat00005
(4)
Figure 112016067161383-pat00005
(4)

Figure 112016067161383-pat00006
(5)
Figure 112016067161383-pat00006
(5)

Figure 112016067161383-pat00007
(6)
Figure 112016067161383-pat00007
(6)

Figure 112016067161383-pat00008
(7)
Figure 112016067161383-pat00008
(7)

반사, 굴절, 회절, 산란이 없는 이상적인 자유음장에서 두 마이크로폰 사이의 CPSD 함수는 시간지연(τ0) 만이 고려되므로, CPSD 함수의 크기(magnitude) 함수인 식 (6)은 RMS 값으로, 위상(phase) 함수 식 (7)은 선형화한 것으로 대체하면 직접음과 반사음의 상관 지연시간(τn)에 의한 삼각함수 성분을 제거할 수 있게 된다.Since the CPSD function between two microphones in the ideal free sound field without reflection, refraction, diffraction and scattering takes into account only the time delay (τ 0 ), the magnitude function of Equation (6) (7) can be replaced by linearization to remove the trigonometric component due to the correlation delay time (τ n ) between the direct sound and the reflected sound.

여기서, 위상 함수의 기울기(τ0), 즉 직접음에 의한 시간지연 차이에 민감하게 반응하므로, 마이크로폰 사이의 간격을 고려해 적절한 선형화 구간을 선정해야 한다.Here, since the response of the phase function is sensitive to the slope (? 0 ), that is, the time lag due to the direct sound, a proper linearization interval should be selected in consideration of the interval between the microphones.

4. CPSD 필터링에 의한 보상4. Compensation by CPSD filtering

CPSD 함수의 허수부는 사인함수의 급수로 이루어져 있음을 식 (2)를 통해 알 수 있다. 따라서, 시간영역에서 직접음에 의한 지연시간(τ0) 이외의 성분을 제거할 수 있는 필터를 주파수 영역에 적용한다.(2) that the imaginary part of the CPSD function consists of a series of sine functions. Therefore, a filter capable of removing components other than the delay time (? 0 ) due to direct sound in the time domain is applied to the frequency domain.

τ0가 거의 0에 가깝기에, 저역 통과 필터(Low Pass Filter)가 되어야 하며, 차단 시간(cut-off time : τr)은 마이크로폰 사이의 간격을 고려해 결정한다.Since τ 0 is close to zero, it should be a low pass filter, and the cut-off time τ r is determined by considering the interval between the microphones.

위상의 선형성을 보장하기 위해 FIR 필터를 사용한다. 위치 추정 시에는 소요 시간 최소화를 위해 IIR 필터를 적용할 수도 있다. CPU 성능이 Intel i7-4790K 4GHz이고 16GB 메모리를 가지는 컴퓨터를 이용하여 6개의 상호 파워스펙트럼 밀도함수에 필터를 적용했을 때의 계산시간 결과는 FIR가 3.87 초이었고, IIR가 0.03 초이었다.FIR filters are used to ensure linearity of the phase. When estimating the position, IIR filter may be applied to minimize the time required. Computation time results when the filter was applied to six mutual power spectral density functions using a computer with CPU performance of Intel i7-4790K 4GHz and 16GB memory was 3.87 seconds for FIR and 0.03 seconds for IIR.

5. 음원 위치에 따른 편향오차 보상5. Compensation of deflection error according to sound source location

음향이 입사되는 각도와 주파수 범위에 따라 오차의 폭이 달라진다. 본 발명의 실시예에서는 3차원 음향 인텐시티 탐촉장치가 갖는 지향성에 그 원인이 있다는 것을 알아내고, 이를 토대로 편향오차를 보상하는 방법을 제시한다.The error width varies depending on the angle at which the sound is incident and the frequency range. In the embodiment of the present invention, it is found out that there is a cause of the directivity of the three-dimensional acoustic intensity probe apparatus, and a method of compensating the bias error based thereon is presented.

특정한 방향 θ,φ로 입사하는 평면파를 측정하는 임의의 마이크로폰 α,β 간의 거리에 의한 위상 차이(ψαβ)는 다음과 같이 정의된다:The phase difference (ψ αβ) between the specific direction by θ, φ any microphone α, β measuring a plane wave incident on the distance is defined as follows:

Figure 112016067161383-pat00009
(8)
Figure 112016067161383-pat00009
(8)

여기서,

Figure 112016067161383-pat00010
는 각각 음원과 마이크로폰 α,β 사이의 위치 벡터를 의미하고,
Figure 112016067161383-pat00011
은 음원의 법선벡터를 의미한다.here,
Figure 112016067161383-pat00010
Denotes a position vector between the sound source and the microphones alpha and beta, respectively,
Figure 112016067161383-pat00011
Is the normal vector of the sound source.

Figure 112016067161383-pat00012
,
Figure 112016067161383-pat00013
(9,10)
Figure 112016067161383-pat00012
,
Figure 112016067161383-pat00013
(9, 10)

1차원 음향 인텐시티 측정 시, 저주파 영역에서의 위상 부정합 오차 및 고주파 영역에서의 유한차분 오차를 고려하여 관심 주파수 영역을 설정하는 기준을 제시했던 것처럼, 3차원 음향 인텐시티 벡터 측정에서도 두 개의 마이크로폰의 CPSD 함수 혹은 거리에 따른 위상차에 따라서 그 값이 결정되기 때문에 위상차(ψαβ)를 고려해 관심 영역 주파수 영역을 설정할 수 있다.In the measurement of the 1-dimensional acoustic intensity, as in the case of suggesting a criterion for setting the frequency region of interest in consideration of the phase misalignment error in the low frequency region and the finite difference error in the high frequency region, in the measurement of the 3-dimensional acoustic intensity vector, Or the value is determined according to the phase difference depending on the distance, the frequency domain of the region of interest can be set in consideration of the phase difference ??? .

특정 방향에서 입사되는 소리에 대하여 관찰되는 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 도 3에 정리하여 나타내었다. 도 3은 kd 변화에 따른 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 나타낸 맵이다.The directional coefficients, the azimuth angle, the error range and the standard deviation of the angle of incidence observed for a sound incident in a specific direction are summarized in FIG. Fig. 3 is a map showing the direction coefficient, the azimuth angle, the error range and the standard deviation of the altitude angle according to the change of kd.

동일한 마이크로폰 간격에 대한 음원의 주파수(kd)값에 대해, 탐촉자의 지향성을 바탕으로 분석한 도 3의 편향오차 맵(biased error map)을 이용하여 3차원 음향 인텐시티 벡터를 보정하게 되면, 음원의 주파수 및 음파의 입사방향에 따라 변화하는 편향오차를 보상할 수 있게 된다.If the three-dimensional acoustic intensity vector is corrected using the biased error map of FIG. 3 analyzed on the basis of the directivity of the probe with respect to the frequency (kd) value of the sound source for the same microphone interval, And a deflection error that varies depending on the incident direction of the sound wave.

6. 테스트 결과6. Test results

고도각을 0도 기준으로 평면각을 변화시켜 실제 무향실 조건에서 충격음에 대해 실험한 결과가 도 4에 제시되어 있다. 도 4에서 녹색 점선은 음원의 실제 방향, 파란색 실선은 보상 전 결과, 검정색 실선은 필터링에 의한 보상 결과, 붉은색 점선은 선형화에 의한 보상 결과를 나타낸다.Figure 4 shows the results of an experiment on the impact sound in an actual anechoic room condition by varying the angle of the plane at an altitude angle of 0 degrees. In FIG. 4, the green dotted line represents the actual direction of the sound source, the blue solid line represents the result before compensation, the black solid line represents the compensation result by filtering, and the red dotted line represents the compensation result by the linearization.

관심 주파수 대역이었던 500-1500Hz 내에서 방위각 오차 평균 0.4°, 고도각 오차 평균 1.4°로, 충격음의 위치추정이 잘 되는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that the location of the impact sound is well estimated at an azimuth error of 0.4 ° and an altitude angle error of 1.4 ° within 500-1500 Hz, which was the frequency band of interest.

0.02초의 단일 샘플 데이터를 이용하여 위치추정이 잘 되었다는 것의 의미는, 4개의 마이크로폰을 통해 측정된 음향 인텐시티 및 오차 보상 알고리즘을 통하여 음원의 위치를 실시간으로 추정할 수도 있음을 시사한다.The fact that the position estimation is performed well using 0.02 second single sample data suggests that the location of the sound source can be estimated in real time through the acoustic intensity and error compensation algorithm measured through four microphones.

7. 적용예7. Application Examples

음원의 위치추적 기술을 적용할 수 있는 분야는 미래장비 분야, 군사장비 분야, 그리고 보안장비 분야 등으로 매우 폭넓다.There are many areas where sound source location technology can be applied, such as future equipment field, military equipment field, and security equipment field.

기존의 상용화된 제품들이 빔포밍 방법 등의 신호처리 기법을 이용하여 무수히 많은 마이크로폰으로부터 받은 신호로 음원의 위치를 추적하여, 설계비용이 비싸지고 또한 전체 시스템의 물리적인 크기가 커지는 점으로 인해 소형화 로봇, ICT 기기 및 군사 장비들에 적용하기는 어려운 문제점이 있다.Existing commercialized products track the position of a sound source with a signal received from a myriad of microphones using a signal processing technique such as a beam forming method, and the cost of the design is increased and the physical size of the entire system is increased, , ICT equipment, and military equipment.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 인텐시티 추적장치는 필요한 마이크로폰의 개수를 대폭 줄이는 한편, 시스템의 물리적인 크기를 줄여서 음원의 위치 추적 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 시스템의 소형화가 가능하다.On the other hand, the acoustic intensity tracking apparatus according to the embodiment of the present invention significantly reduces the number of necessary microphones, reduces the physical size of the system, and improves the location tracking performance of the sound source as well as miniaturization of the system.

8. 변형예8. Variations

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.

111~114 : 마이크로폰
120 : CPSD(Cross Power Spectral Density) 함수 생성부
130 : CPSD 함수 보상부
140 : 음향 인텐시티 산출부
150 : 음향 인텐시티 보정부
111 to 114: a microphone
120: Cross Power Spectral Density (CPSD)
130: CPSD function compensating unit
140: Acoustic Intensity Calculator
150: Acoustic Intensity Correction

Claims (10)

다수의 마이크로폰들에서 측정된 신호들 간의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 생성하는 단계;
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 단계; 및
보상된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 보상 단계는,
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들의 위상 함수들을 선형화하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
Generating mutual power spectral density functions between the signals measured in the plurality of microphones;
Compensating the generated mutual power spectral density functions; And
Combining the compensated mutual power spectral density functions to produce an acoustic intensity vector,
Wherein the compensating step comprises:
And linearizing the phase functions of the generated mutual power spectral density functions.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 위상 함수(θ)는, 다음의 식으로 표현되며,
θ = 2πτ0f,
여기서 τ0는 마이크로폰들 간의 거리에 따른 시간지연인 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
The phase function? Is expressed by the following equation,
? = 2? t 0 f,
Wherein τ 0 is a time delay according to the distance between the microphones.
청구항 1에 있어서,
상기 보상 단계는,
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 저역 통과 필터링하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the compensating step comprises:
And the generated mutual power spectral density functions are subjected to low-pass filtering.
다수의 마이크로폰들에서 측정된 신호들 간의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 생성하는 단계;
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 단계; 및
보상된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 보상 단계는,
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 저역 통과 필터링하며,
상기 저역 통과 필터링에 의한 차단 주파수 시간은,
마이크로폰들 간의 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
Generating mutual power spectral density functions between the signals measured in the plurality of microphones;
Compensating the generated mutual power spectral density functions; And
Combining the compensated mutual power spectral density functions to produce an acoustic intensity vector,
Wherein the compensating step comprises:
Pass filtering the generated mutual power spectral density functions,
The cut-off frequency time by the low-
And the distance between the microphones is determined according to the distance between the microphones.
청구항 1에 있어서,
상기 음향 인텐시티 벡터의 성분들은,
상기 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들의 허수부들로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
The components of the acoustic intensity vector,
Wherein the power spectral density functions are calculated from imaginary parts of the mutual power spectral density functions.
청구항 1에 있어서,
음향의 주파수에 따라, 산출된 음향 인텐시티 벡터를 보정하는 단계;를 더 포함하고,
상기 보정 단계는,
상기 음향의 입사 방향에 따른 편향오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
And correcting the calculated acoustic intensity vector according to the frequency of the sound,
Wherein the correcting step comprises:
And correcting a deflection error according to an incidence direction of the sound.
청구항 1에 있어서,
상기 다수의 마이크로폰들은,
정사면체의 꼭지점들에 배열된 4개의 마이크로폰들인 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
The plurality of microphones,
And four microphones arranged at apexes of the regular tetrahedron.
청구항 1에 있어서,
상기 보상 단계는,
다수의 마이크로폰들에 의한 편향오차를 제거하기 위해, 상기 생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the compensating step comprises:
Wherein the generated mutual power spectral density functions are compensated for to eliminate a bias error caused by a plurality of microphones.
다수의 마이크로폰들에서 측정된 신호들 간의 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 생성하는 생성부;
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 보상하는 보상부; 및
보상된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들을 조합하여, 음향 인텐시티 벡터를 산출하는 산출부;를 포함하고,
상기 보상부는,
생성된 상호 파워 스펙트럼 밀도 함수들의 위상 함수들을 선형화하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 장치.
A generator for generating mutual power spectral density functions between the signals measured in the plurality of microphones;
A compensation unit for compensating the generated mutual power spectral density functions; And
And a calculation unit for calculating the acoustic intensity vector by combining the compensated mutual power spectral density functions,
Wherein the compensation unit comprises:
And linearizes the phase functions of the generated mutual power spectral density functions.
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