TWI235844B - Device and method to identify the direction of sound - Google Patents

Description

1235844 氧、霁明說明…、 立本發明係關於聲音方向識別之技術領域，尤指一種聲 音方向識別裝置及方法。 耳 一、先前技術 15 圖1顯示人體雙耳接收聲音之示意圖，其中，音源由 位置A產生，其聲波將先後抵達左耳η與右耳I?，因而產 生時間差，大腦則依據此時間差來識別聲音的來源方 向。在現實世界中’主要利用麥克風來收音，並透過二個 以上麥克風來收音與識別聲音方向。通常，利用二個無指 ^性麥克風識別音源方向有其限制，即該二個無指向性麥 克風僅能識別左右兩旁的音源而無法識別前後的音源，若 要進行前後聲音方向的識別則需要較為複雜的演算法或使 用具指向性之麥克風，故通常在進行聲音方向識別時大都 利用二個無指向性麥克風來做360度的收音。 目前聲音方向識別的技術主要有兩種曰。第一種為波峰 = f(Peak Detecti〇n Meth〇d) ’其主要對麥克風接收 的尸耳波進行放大、遽波以及積分處理，以使得聲波成為類 ㈣=角波’繼而找出每一個麥克風相對應之三角波岭值 )I比對δ亥等峰值’以求出時間差，最後再利用 ㈣«式為聲速1為時縣）、以及 圖2所示之時間差盥入鼾菡厣鉍 ― ，、入射角度轉換不意圖，而求出聲音入射 角，以得到聲波之音源位置。 20 1235844 第一種為相關值法（Cr〇ss_c〇rrelati〇n Meth〇d)，其 主要將每、-麥克風接收之聲波經過適當的放大及滤波處理 後’再透過類比數位轉換器（ADC)轉換成數位資料，俾 供對該等不同麥克風相對應之數位資料進行相關值運算， 5 Μ獲得最大相關值（即時間差），並依據此最大相關值來 找出聲音入射角。

上述兩種方法都需要使用ADC ^ 使侍珉本增 :。另’一般的麥克風係為電容式，由於每一個麥克風的 4效電谷值不相同’造成時間的遞移^難）而影響方向 =且上述相關值法需對很長的數位資料串進行統計等 運异’不僅運算資料量龐A，甚至需要使用到乘法。因此， =設計-種不受電容式麥克風差異之影響、不須使用到 T以及不需太龐大計算的聲音方向識別裝置已成為 需解決之課題。 15 三、發明内容 及方二目的係在提供一種聲音方向識別裝^ 2方法’俾成不线用類比數位轉換器（adc) :式麥克風差異之影響、不使用乘法以及不須龐大計：: 20來識別聲音之方向。 大冲t而 依據本發明之-特色，所提供之聲音方向識 括：複數個音源搜尋單元以及一處理單元 i =單元接收-聲波信號，並對該聲波信號:行::: 慮波處理，以獲得一放大之聲波信號，繼而對該放 1235844 皮4»號進行號轉換處理，以獲得一轉換脈衝信號，哕严 理單元係與該等音源搜尋單元相連接，俾供對該:处 哥早疋輸出之轉換脈衝信號進行取樣，以獲得複數取樣俨 號列，繼而以一最大相似值法透過該等取樣信號列來求= ，數時間差’以藉由該等時間差進行查表而得到該等聲 4吕號之聲音源位置。 依據本發明之另一特色，所提供之聲音方向識別方法 包括下述步驟：一識別參數設定步驟，係用以設定至少一 取樣長度參數與-識別次數參數；一聲波信號轉換步驟， 10係接收複數聲波信號，並將其轉換成複數轉換脈衝信號； 「取樣步驟，係依據該取樣長度參數來對該等轉換脈ς信 唬進打取樣，並透過一最大相似值法求出複數時間差；以 及-查表步驟，將該等時間差對照一入射角對應表，以獲 得複數聲波信號入射角，俾供藉由該等聲波信號入射角^ 15出該等聲波信號之音源位置。 四、實施方式 有關本發明之較佳實施例，敬請參照圖3顯示之功能方 塊圖其主要由二組音源搜尋單元31，32,33與處理單元34 20所組成，其中，每一音源搜尋單元31，32,33分別具有麥克 風311，321，331、前級放大器312,322,332、後極滤波放大器 3 13,323,333 以及信號谓測器 3 14、324、334。 每-音源搜尋單元31，32,33之輸出端皆與處理單元34 之輸入端相連接，俾供透過麥克風311，321，331接收複數聲 1235844 波信號，尨將該等聲波信號轉換成複數轉換脈衝信號，以 輸出至處理單το 34進行聲音方向辨識處理。麥克風 311，321，331之輸出端與前級放大器312,322,332之輸入端 相連接，前級放大器312,322,332之輸出端則與後極渡波放 大器313,323,333之輸入端相連接，後極濾波放大器 313,323,333之輸出端則連接至該等信號偵測器314、324、 334 〇 於本實施例中，前級放大器312,322,332係採用雙載子 電晶體作為驅動器，例如為採用NPN雙載子電晶體，俾供 10利用控制電流方式來避免習知電容式麥克風所產生之時間 遞移（Shift)影響，且可將麥克風311，321，331收音之聲波 信號進行前級放大，以將聲波信號之特徵表現出來。於本 實施例中，信號偵測器314、324、334較佳為零交越侧器 (Zero C刪ing Detector ’ ZCD )，俾供對該等聲波信號 15進行偵測而產生具有高位狀態與低位狀態之轉換脈衝信號 (即零交越信號）。 前述之音源搜尋單元31，32,33可以一般所知之電子元 件所實現，圖4即顯示-音源搜尋單元31，32,33之一種電路 示意圖，另圖5係顯示該等麥克風3u，32i,33i之擺設位置 20圖’其中，該等麥克風311，321，331係概分別位於一正三角 形之三頂點。而有關處理單元34如何對聲音信號進行辨 識，將於下述加以解說。 圖6顯示本發明之聲音方向識別方法之流程圖，首先， 設定欲進行識別之次數⑻以及取樣長度⑴（步驟 1235844 S601)，接著，開始透過麥克風ail，321，331接收音源發出 之複數聲波信號，並利用前級放大器312,322,332將該等聲 波信號予以放大，以將聲波信號之特徵表現出來，並利用 後極濾波放大器3 13,323,333對已進行前級放大之聲波信 5號再做一次後級放大與濾波處理，以使得該等聲波信號能 夠被信號偵測器314、324、334偵測（步驟S602)，當然， 濾波處理亦可利用外加之額外元件進行濾波處理。 接著’信號偵測器314、324、334對放大之聲波信號進 行零交越信號偵測，以產生複數個高位狀態與低位狀態之 10轉換脈衝信號（步驟S603 )，並將該等轉換脈衝信號送至 處理單元34。處理單元34則依據一預設之取樣頻率（fs) 來對該4轉換脈衝#號進行取樣，以獲得複數組相對應之 取樣信號列（步驟S604)，其中，預設之取樣頻率係依照 圖5中該等麥克風311，321，331之間距來設定，該等取樣信 15號列係以5^23^{1，〇丨表示，該等取樣信號列之取樣長度為 L 〇 /當處理單元34取得每-組放大之聲音信號的取樣信號 列後，於步驟S605中，再透過最大相似值法來由該等取樣 信號列求出複數組時間差，亦即，每一組時間差是由兩組 不同的取樣信號列求出，其中，該等時間差係以表 不，為# h之時間差，Δ2為匕和石之時間差，為石和 η之％間差’最大相似值法依據下述函式運作： L(a|x) =f(x|a) for a in A and x in S ^ 1235844 其中，若&為△!，則x=a⑻· h(n+Ai)，若a為&，則 (η)· λ3 (η+Δ2)ι_Δ3，則 χ=3?3 ⑻· a (n+&)，A係為 可忐之時間差且Α_，Δ—/emax丨，se{l，〇丨，俾供找出該等時間 差，並使得相對之L(a|x) = f(x|a)最大化。由於處理單 一斤處理之4號e似）’故其進行運算時所利用之相關乘 法運算可由AND邏輯運算取代，以降低運算量。 之後，於步驟S606中，處理單元34將該等時間差比對 入射角對應表（圖未示），此人射角對應表具有複數時 間差值與相對應之複數入射角度，且此入射角對應表係依 1〇據麥克風34321,33-設之位置、圖2所示之時間差與入 射角度轉換示意圖、以及數學運算式= # ^ e 而預先内 建元成’當然’處理單元34亦可直接使用數學運算式來求 出入射角度’但這將會造成處理單元34之運算負擔。 15 而由於麥克風311，321，331接收聲音信號到取樣完 之階段可能會有稍許的誤差，為了降低誤差因素，運 =4求出入射角度後可先利用透過暫存器或緩衝器暫日^ 存’並依據先前設定之識別次數再次重覆執行步驟⑽、 步驟祕以及步驟S6G6,以獲得複數個人射角度，繼 除極大或極小之可能偏差數值（入射角）I，再對 :角度：行排序平均等統計上之處理，以獲得—較為 的入射角度（步驟S607)，之後，再由該入射角度 源之位置（步驟S608 )。 曰 20 1235844 由以上之說明可知，本發明主要利用雙載子電晶體之 前級放大對麥克風所接收之聲音信號進行前級放大，並利 用零交越侦測器來將聲音信號轉換為具有高位狀態與低位 狀態之轉換脈衝信號’繼而利用處理單元對該等轉換脈衝 5信號進行取樣’以獲得複數取樣信號列，俾供透過最大相 似值法來對該等取樣信號列求出時間I，最後再利用查表 法來求出聲音信號入射角度，以找出音源位置，俾能不需 使用類比數位轉換器（ADC)、不受電容式麥克風差異之 影響、不使用乘法以及不須龐大計算而來識別聲音之方向。 〕 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述貫施例。 五、圖式簡單說明 15圖1係人耳接收聲音之示意圖。 圖2係時間差與入射角度轉換示意圖。

圖3係本發明一較佳實施例之功能方塊圖。 圖4係本發明一較佳實施例之音源搜尋單元之電路示意圖。 圖5係本發明一較佳實施例之麥克風擺設示意圖。 2〇圖6係本發明一較佳實施例之動作流程圖。 六、圖號說明 左耳 11 音源搜尋單元31，32,33 右耳 麥克風 12 311,321,331 11 1235844 前級放大器 信號偵測器 312,322，後級濾波放大器 313,323,333 332 314,324，處理單元 34 334

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Claims (1)

1235844 拾、申請專利範Hi •一裡犛音方向識別裝置，包括： 複數個音源搜尋 — ♦早70 ’母一音源搜尋單亓 信號，並對該聲浊俨咕& 文+早兀接收一聲波 士丄 皮仏破進行放大與濾波處理，以鞾俨 ^ 大之聲波信號，繼而批斗l 处主以獲仵一放 ‘而對該放大之聲波信號進行 理，以獲得一鳇祕π 疋叮L就轉換處 轉換脈衝信號；以及 處理早7L ’係、與該等音源搜尋 該等音源搜尋單元畝山4γ 逆筏俾供對

藉齡敗揭" 轉脈衝信號進行取樣，以獲得 複數取樣#旒列，縧 1又忖 + . Λ.. 、，Μ而以一最大相似值法透過該等取樣俨 號列來求出複數時間差广 5丨丨兮榮敫、士 Α上 柯田/ t 〇守间是進仃查表而得 到該4聲波仏號之聲音源位置。 2·如申請專利範圍第1項所述之聲音方向識別震置， 其中’每-音源搜尋單元更包括一前級放大器與一信號伯 測器，俾供將該聲波信號轉換為具有高位狀態與低位狀離 15 之轉換脈衝信號。 〜 罄 3·如申請專利範圍第2項所述之聲音方向識別裴置， 其中’每-音源搜尋單元更包括一收音器與一後級濾波放 大器，該前級放大器係分別與該收音器及該後級濾波放大 态相連接，該信號偵測器係分別與該後級放大器及該處理 20 單元相連接。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之聲音方向識別裝置， 其中’该等取樣信號列係以A，f 2，L e 〇,〇}表示，該處理單元 對该等取樣信號列之取樣長度為L，且該等時間差係以 13 1235844 △ι，Δ2，Δ3表不，虽中，為兄和无2之時問罢， J左 為·？ 2和又3之 時間差，Δ3為5和A之時間差。 5如申請專利範圍第4項所述之聲音方向識別装置， 5 15 20 其中，該最大相似值法係依據下述函式運作：L (…X) (x|a)如二 in A and x in s，且若&為△，則二⑻·f 尤 2 〇+△,) ’ 若 a為 λ2，則 x=：无（— Βί & ⑻· l (η+Δ2)，若 a為 &， 則x=石⑷•石_△〇，A係為可能之時間差且 S04,俾供找出該等時間差，並使得相對之 L (a|x) =f (X|a)最大化。 6. Μ請專利範圍第2項所述之聲音方向識別裝置， 八中’母-前級放大H係以—雙載子電晶體作為驅動薄。 7, 如申請專利_^項所述之聲音方向識別裝置， 八中w亥電晶體係為ΝΡΝ電晶體。 8·―如中請專利範圍第2項所述之聲音方向識別裝置， 9·如申請專利||圍第i項所述之聲音 其中，該處理單元係透過一入射角對應置， 射角對應表具有複數預設時 ：該入 以該辇拄閂β 丁 Ί產興稷數入射角度值，俾供 值，以得料”、… 求付對應之入射腳度 仟至i该寺聲波信號之聲音源位置。 10二-種聲音方向識別方法，包括下述步驟· 參數二St:定步驟，係用以設定至少-取樣長度 紙。 哉別次數參數； 14 1235844 、:波l號轉換步驟A係接收複數聲波信號，並將其 轉換成複數轉換脈衝信號； 〃 樣^驟係依據該取樣長度參數來對該等轉換脈 衝信號進行取樣，並诱讲 • ^ 卫透過一取大相似值法求出複數時間 一查表步驟，將該等時間差對照-人射㈣應表，以 獲得複數聲波信號入射角，俾供藉由該等聲波信號入射角 求出该等聲波信號之音源位置。 10 15 20

η.如巾請專利範圍第1G項所述之聲音方向識別方 法’其更包括-平均步驟’以t該查表步驟獲得該等聲波 信號入射角後’係暫存該等聲波信號人射角，並依據該識 別次數參數進行複數次該取樣步驟與該查表動作，俾供獲 得複數組该等聲波信號入射角，以進行平均處理。 12. 如中請專利範圍第n項所述之聲音方向識別方 法，在進行平均處理前，係先排除極大或極小之入射角。

13. 如申請專利範圍第1〇項所述之聲音方向識別方 法，其中，該最大相似值法係依據下述函式運作：L U|a) for a in A and X in S，且若 丨，則 χ=3ίι(η)· ί2(η+Λι)14Λ2υχ=Λ-2 ⑻•石（η,，若&為△” 則石（η) · L (n+ △〇，A係為可能之時間差且 ΑΜ〇，Δ^_η3χ} ’ ^㈣丨，俾供找出該等時間差，並使得相對之 L U|x) =f (X|a)最大化，當中’ ㈣係為該等 轉換脈衝信號之取樣信號列，L係為該取樣長度參數， 15 1235844 △!，Δ2，Δ3係為該等時間差，△〗為无和2之時間差 无3之時間差，Δ3為h和之時間差。 16