專(zhuān)利名稱：一種聲源定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型的技術(shù)方案涉及應(yīng)用聲波通過(guò)確定多個(gè)方向的配合來(lái)定位的裝置，具 體地說(shuō)是一種聲源定位裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，隨著仿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，基于傳聲器陣列的聽(tīng)覺(jué)感知技術(shù)已逐 漸成為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、語(yǔ)音信號(hào)增強(qiáng)以及水下目標(biāo)感知等眾多研究領(lǐng)域的重要課題。可 以說(shuō)，聽(tīng)覺(jué)是新一代智能機(jī)器人的重要標(biāo)志之一，是實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)-環(huán)境”交互的重要手段。 由于聲音具有繞過(guò)障礙物的特性，在多信息采集系統(tǒng)中，聽(tīng)覺(jué)可以與視覺(jué)相配合彌補(bǔ)其視 場(chǎng)有限且不能穿過(guò)非透光障礙物的局限。另外，在“聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景”內(nèi)不僅能定位聲源目標(biāo)，還 可以通過(guò)現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)得到更有價(jià)值的信息。因此，設(shè)計(jì)高精度的聲源定位裝置在醫(yī) 療、服務(wù)和軍事等諸多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)有的聲源定位裝置大都只能夠在沒(méi)有背景噪聲的理想環(huán)境下對(duì)聲源目標(biāo)進(jìn)行 定位，而且其在結(jié)構(gòu)上冗余復(fù)雜。由于聲波非常敏感，被測(cè)量的聲場(chǎng)很容易受到測(cè)量裝置本 身的干擾，從而影響測(cè)量的精度。若麥克風(fēng)陣列中傳感器的數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不僅需 要較高的制作成本，而且會(huì)直接影響到聲波的自由擴(kuò)散，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤。另 外，在三維空間中由于受到俯仰角和距離等因素的影響，對(duì)聲源目標(biāo)的定位精度會(huì)產(chǎn)生較 大誤差。CN201166703報(bào)道的“公路聲源定位控制系統(tǒng)”，采用五元五面體的陣列結(jié)構(gòu)，其定 位精度只有在大俯仰角的遠(yuǎn)場(chǎng)情況下才比較理想，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在三維空間中對(duì)任意位置聲源 的準(zhǔn)確定位。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種聲源定位裝置，是三維空間聲源目 標(biāo)定位裝置。該聲源定位裝置實(shí)現(xiàn)了在三維空間中對(duì)任意位置聲源的準(zhǔn)確定位，由此構(gòu)建 全方位的“聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高，且具有抗噪能力。本實(shí)用新型解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種聲源定位裝置，是三維空 間聲源目標(biāo)定位裝置，由聽(tīng)覺(jué)傳感器、聲源信號(hào)微處理器和上位機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中， 所述聽(tīng)覺(jué)傳感器是四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，四個(gè)麥克風(fēng)分別位于該正四面體結(jié)構(gòu) 的四個(gè)頂點(diǎn)；所述聲源信號(hào)微處理器由聲音信號(hào)放大模塊、分析鎖存模塊和通信傳輸模塊 構(gòu)成；所述上位機(jī)系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)構(gòu)成。聽(tīng)覺(jué)傳感器與聲源信號(hào)微處理器 之間的硬件部分、聲源信號(hào)微處理器與上位機(jī)系統(tǒng)之間的硬件部分、聲音信號(hào)放大模塊和 分析鎖存模塊之間的硬件部分、分析鎖存模塊和通信傳輸模塊之間的硬件部分均用導(dǎo)線相 互連接。上述一種聲源定位裝置，所述四元正四面體結(jié)構(gòu)是用硬質(zhì)材料做成的正四面體構(gòu) 架，其尺寸是四面體的邊長(zhǎng)為24. 14cm。上述一種聲源定位裝置，所述四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列中所用的麥克風(fēng)是全向型電容式麥克風(fēng)。上述一種聲源定位裝置，所述四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列中所用的麥克風(fēng)是 全向型電容式麥克風(fēng)類(lèi)型中的柱極式麥克風(fēng)。上述一種聲源定位裝置，在所述聲源信號(hào)微處理器中聲音信號(hào)放大模塊包括集 成運(yùn)算信號(hào)放大器、增益調(diào)整電位器和信號(hào)指示燈；分析鎖存模塊主要包括電壓比較器、觸 發(fā)器和單片機(jī)，其電路構(gòu)成如圖5所示；通信傳輸模塊是串口通信設(shè)備。上述一種聲源定位裝置，所述聲源信號(hào)微處理器中分析鎖存模塊的操作程序流程 如下第一步，上電后，對(duì)單片機(jī)中的存儲(chǔ)器和寄存器中各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，初始化完 成后轉(zhuǎn)第二步；第二步，啟動(dòng)單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器，并設(shè)置CPU時(shí)鐘頻率為2. 7648MHz，完成后
轉(zhuǎn)第三步；第三步，周期循環(huán)查詢觸發(fā)器是否有電平變化，若觸發(fā)器電平無(wú)變化則返回周期 循環(huán)查詢，當(dāng)觸發(fā)器電平發(fā)生變化時(shí)，記錄電平變化的時(shí)間并存儲(chǔ)，也即是可編程計(jì)數(shù)器的 對(duì)應(yīng)數(shù)值，完成后轉(zhuǎn)第四步；第四步，停止可編程計(jì)數(shù)器并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成后轉(zhuǎn)第五步；第五步，通過(guò)串口通信設(shè)備，將單片機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)將 觸發(fā)器和單片機(jī)復(fù)位，完成后轉(zhuǎn)入第二步。上述一種聲源定位裝置，所述的電壓比較器是集成運(yùn)算放大器，所述的單片機(jī)是8 位單片機(jī)。上述一種聲源定位裝置，所述的信號(hào)指示燈是發(fā)光二極管。上述一種聲源定位裝置，所述的增益調(diào)整電位器的總阻值在IOk至IOOk之間。上述一種聲源定位裝置，所涉及的麥克風(fēng)、集成運(yùn)算信號(hào)放大器、增益調(diào)整電位 器、圖5中標(biāo)出的所有元器件、串口通信設(shè)備和上位機(jī)系統(tǒng)中的主機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo) 均是公知的商購(gòu)器件，所有模塊和元器件之間的連接方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員均能掌握的， 所述全向型電容式麥克風(fēng)是一種固定類(lèi)型的麥克風(fēng)，市面上可以買(mǎi)到，所述增益調(diào)整電位 器是普通電位器，總阻值在IOk至IOOk之間均可用。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)在于(1)聽(tīng)覺(jué)傳感器的信號(hào)采集的特點(diǎn)由于聲源定位算法在很大程度上依賴于聽(tīng)覺(jué)傳感器的數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本實(shí)用新 型設(shè)計(jì)了由四個(gè)麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列，它們共同組成了正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列。 相對(duì)于傳統(tǒng)的平面陣列，這種球面陣列在三維空間中的分辨率更高。為了減少聲音信號(hào)混 響的干擾，以及由于聲波衍射和折射帶來(lái)的采集誤差，要盡量保證麥克風(fēng)周?chē)鷽](méi)有障礙物 的遮擋，所以本實(shí)用新型設(shè)計(jì)選用全向型電容式麥克風(fēng)，而且在設(shè)計(jì)麥克風(fēng)陣列時(shí)盡量保 證其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)聲源信號(hào)微處理器中聲音信號(hào)放大模塊的信號(hào)預(yù)處理的特點(diǎn)單單依靠電容式麥克風(fēng)的拾音能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種麥克風(fēng)的輸出電壓大都在 零到幾十毫伏之間，如此微弱的電信號(hào)無(wú)法滿足后期信號(hào)處理工作的要求。因此，有必要對(duì)
4麥克風(fēng)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大。本實(shí)用新型采用性能較穩(wěn)定的集成運(yùn)算放大器對(duì)采集信號(hào) 進(jìn)行二級(jí)放大。然而，即使是選用相同型號(hào)的電路元件，在焊接為成品后也不一定能擁有完 全相同的放大特性，所以，本實(shí)用新型加入了增益調(diào)整電位器，以便在后期調(diào)試時(shí)減少由于 硬件特性不同而產(chǎn)生的誤差。另外，為了實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)的采集情況，還應(yīng)用發(fā)光二極管制作 輸出信號(hào)指示燈，指示信號(hào)的強(qiáng)弱變化。另外，考慮到聽(tīng)覺(jué)定位系統(tǒng)的魯棒性和實(shí)時(shí)性，本實(shí)用新型用集成運(yùn)算放大器作 為電壓比較器(其電路接法如圖5)，使聽(tīng)覺(jué)定位系統(tǒng)具有一定的抗噪能力。并且，該電壓比 較器的參考電壓是可以隨背景噪聲的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。該電壓比較器接收的輸入信號(hào)如圖 8 ；該電壓比較器的輸出信號(hào)如圖9所示。圖8顯示電壓比較器所接收的輸入的放大后的模 擬信號(hào)，此為隨機(jī)信號(hào)，即包括目標(biāo)信號(hào)和背景噪聲的混合信號(hào)；圖9顯示該電壓比較器的 輸出信號(hào)則為連續(xù)的方波信號(hào)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，電壓比較器是對(duì)聲電信號(hào)進(jìn)行了整形， 使大于背景噪聲的信號(hào)以方波的形式輸出。(3)聲源信號(hào)微處理器中分析鎖存模塊的捕捉時(shí)間點(diǎn)的特點(diǎn)為了使陣列中各個(gè)麥克風(fēng)均能精確地捕捉目標(biāo)聲音到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，這里采用的單 片機(jī)是8位單片機(jī)，即是8位聲源信號(hào)微處理器，再配合觸發(fā)器進(jìn)行捕捉目標(biāo)聲音到達(dá)的 時(shí)間點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示，首先啟動(dòng)單片機(jī)中的可編程計(jì)數(shù)器，并設(shè)置CPU時(shí)鐘 頻率為2. 7648MHz，聲源信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器整形后，產(chǎn)生連續(xù)方波脈沖，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到 達(dá)觸發(fā)器時(shí)，觸發(fā)器改變并保持電平，單片機(jī)記錄電平變化的時(shí)間，即可編程計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng) 數(shù)值，并存儲(chǔ)，輸出端發(fā)光二極管隨即發(fā)生變化，指示聲源信號(hào)起始點(diǎn)已被鎖存，隨后等待4 路麥克風(fēng)的聲源信號(hào)相繼到達(dá)后，再利用通信傳輸模塊即串口通信設(shè)備將4個(gè)存儲(chǔ)的時(shí)間 點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)，與此同時(shí)，將觸發(fā)器電平和單片機(jī)復(fù)位。(4)上位機(jī)系統(tǒng)中的定位計(jì)算方法特點(diǎn)上位機(jī)系統(tǒng)具有定位計(jì)算方法的功能。采用如此基于聲達(dá)時(shí)間差的計(jì)算方法，獲 得了目標(biāo)聲源的精確方位信息，并通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)的顯示器進(jìn)行顯示輸出。本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的顯著的進(jìn)步在于與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的一種聲源定位裝置，采用四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥 克風(fēng)陣列作為聽(tīng)覺(jué)感知系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)聲源信號(hào)微處理器的分析處理，應(yīng)用基于聲達(dá)時(shí)間差的 定位計(jì)算方法，能在含有背景噪聲的實(shí)際環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)在三維空間中對(duì)任意位置聲源的準(zhǔn) 確定位，由此構(gòu)建全方位的“聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高和具有抗噪能力。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的構(gòu)成示意框圖。圖2為本實(shí)用新型中的聽(tīng)覺(jué)傳感器的麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)圖。圖3為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的構(gòu)成示意框圖。圖4為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的聲音信號(hào)放大模塊的構(gòu)成和工作過(guò) 程示意框圖。圖5為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的分析鎖存模塊的構(gòu)成和電路示意圖。圖6為本實(shí)用新型中的上位系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。圖7為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的操作程序流程圖。
5[0042]圖8為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的分析鎖存模塊的電壓比較器的輸入信號(hào)。圖9為本實(shí)用新型中的聲源信號(hào)微處理器的分析鎖存模塊的電壓比較器的輸出信號(hào)。圖10為正四面體陣列的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖。圖中，1.聽(tīng)覺(jué)傳感器，2.聲源信號(hào)微處理器，3.上位機(jī)系統(tǒng)，4.麥克風(fēng)，5.聲音信 號(hào)放大模塊，6.分析鎖存模塊，7.通信傳輸模塊，8.集成運(yùn)算信號(hào)放大器，9.增益調(diào)整電位 器，10.信號(hào)指示燈，11.電壓比較器，12.觸發(fā)器，13.單片機(jī)，14.主機(jī)，15.顯示器，16.鍵 盤(pán)，17.鼠標(biāo)。
具體實(shí)施方式
圖1所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置由聽(tīng)覺(jué)傳感器1、聲源信號(hào)微 處理器2和上位機(jī)系統(tǒng)3三部分構(gòu)成。首先，由聽(tīng)覺(jué)傳感器1感知和多路采集目標(biāo)聲源發(fā) 出的聲音信號(hào)，接著被多路采集的聲源信號(hào)經(jīng)過(guò)聲源信號(hào)微處理器2的處理后，得到各自 聲音信號(hào)起始點(diǎn)的時(shí)間信息，最后由上位機(jī)系統(tǒng)3中基于聲達(dá)時(shí)間差的計(jì)算方法獲取聲源 的位置信息，并通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)的顯示器輸出。聽(tīng)覺(jué)傳感器1與聲源信號(hào)微處理器2之間 的硬件部分、聲源信號(hào)微處理器2與上位機(jī)系統(tǒng)3之間的硬件部分均用導(dǎo)線相互連接。圖2所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的聽(tīng)覺(jué)傳感器1是四元正四 面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，四個(gè)獨(dú)立且特性相同麥克風(fēng)4分別位于該正四面體結(jié)構(gòu)的四個(gè)頂 點(diǎn)。麥克風(fēng)4選用全向型電容式麥克風(fēng)，特別是優(yōu)選柱極式麥克風(fēng)。該四元正四面體結(jié)構(gòu) 是用硬質(zhì)材料做成的正四面體構(gòu)架，其尺寸是四面體的邊長(zhǎng)為24. 14cm。圖3所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的聲源信號(hào)微處理器2由聲音 信號(hào)放大模塊5、分析鎖存模塊6和通信傳輸模塊7構(gòu)成。聲音信號(hào)放大模塊5和分析鎖 存模塊6之間的硬件部分、分析鎖存模塊6和通信傳輸模塊7之間的硬件部分均用導(dǎo)線相 互連接。由聽(tīng)覺(jué)傳感器1采集到的四路聲音信號(hào)是很微弱的，不能直接進(jìn)行分析和處理， 這些微弱的電信號(hào)要同時(shí)經(jīng)過(guò)聲音信號(hào)放大模塊5進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)分析鎖存模塊6對(duì)聲 電信號(hào)進(jìn)行整形，使大于背景噪聲的信號(hào)以方波的形式輸出，并且完成對(duì)聲源信號(hào)到達(dá)時(shí) 間點(diǎn)的捕捉，最終由通信傳輸模塊7將所得到的各自聲音信號(hào)起始點(diǎn)的時(shí)間信息傳送給上 位機(jī)系統(tǒng)3。圖4所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的聲音信號(hào)放大模塊5是由集 成運(yùn)算信號(hào)放大器8、增益調(diào)整電位器9和信號(hào)指示燈10構(gòu)成，其工作過(guò)程是由集成運(yùn)算 信號(hào)放大器8對(duì)來(lái)自聽(tīng)覺(jué)傳感器1的采集信號(hào)，即麥克風(fēng)陣列輸入信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，并用 增益調(diào)整電位器9調(diào)節(jié)二級(jí)放大的信號(hào)幅度，以便在后期調(diào)試時(shí)減少由于硬件特性不同而 產(chǎn)生的誤差，信號(hào)指示燈10用來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)的采集情況，最后向分析鎖存模塊6輸出信 號(hào)。增益調(diào)整電位器9選用總阻值在IOk至IOOk之間的普通電位器，輸出信號(hào)指示燈10 優(yōu)選發(fā)光二極管制作。圖5所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的分析鎖存模塊6的構(gòu)成和電 路.圖5中，電壓比較器11將放大后的電信號(hào)同時(shí)與代表背景噪聲的電平進(jìn)行比較，電壓 比較器11的參考電壓是可以隨背景噪聲的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，電壓比較器11對(duì)聲電信號(hào)進(jìn)行了整形，使大于背景噪聲的信號(hào)以方波的形式輸出。啟動(dòng)單片機(jī)13的可編程計(jì)數(shù)器，并 設(shè)置CPU時(shí)鐘頻率為2. 7648MHz。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到達(dá)觸發(fā)器12時(shí)，觸發(fā)器12改變并保持電 平，單片機(jī)13記錄電平變化的時(shí)間，即可編程計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)數(shù)值，并存儲(chǔ)，輸出端發(fā)光二極 管隨即發(fā)生變化，指示聲源信號(hào)起始點(diǎn)已被鎖存。等待4路麥克風(fēng)的聲源信號(hào)相繼到達(dá)后， 再利用通信傳輸模塊7即串口通信設(shè)備將4個(gè)存儲(chǔ)的時(shí)間點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)3，與此同時(shí) 將觸發(fā)器12和單片機(jī)13復(fù)位。圖5所示該分析鎖存模塊6的構(gòu)成包括電壓比較器11、觸 發(fā)器12、單片機(jī)13、電位器、電阻R、電阻R1、發(fā)光二極管、電源1、電源2和電源3。電壓比 較器11是集成運(yùn)算放大器，單片機(jī)13是8位單片機(jī)，即是8位聲源信號(hào)微處理器。圖6所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的上位機(jī)系統(tǒng)由主機(jī)、顯示 器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)構(gòu)成。圖7所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的聲源信號(hào)微處理器2的分析 鎖存模塊6的操作程序流程如下第一步，上電后，對(duì)單片機(jī)13中的存儲(chǔ)器和寄存器中各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，初始 化完成后轉(zhuǎn)第二步；第二步，啟動(dòng)單片機(jī)13的可編程計(jì)數(shù)器，并設(shè)置CPU時(shí)鐘頻率為2. 7648MHz，完成
后轉(zhuǎn)第三步；第三步，周期循環(huán)查詢觸發(fā)器12是否有電平變化，若觸發(fā)器12電平無(wú)變化則返回 周期循環(huán)查詢，當(dāng)觸發(fā)器12電平發(fā)生變化時(shí)，記錄電平變化的時(shí)間并存儲(chǔ)，也即是可編程 計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)數(shù)值，完成后轉(zhuǎn)第四步；第四步，停止可編程計(jì)數(shù)器并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成后轉(zhuǎn)第五步；第五步，通過(guò)串口通信設(shè)備即是通信傳輸模塊7，將單片機(jī)13的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù) 發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)3，同時(shí)將觸發(fā)器12和單片機(jī)13復(fù)位，完成后轉(zhuǎn)入第二步。圖8所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的分析鎖存模塊6中的電壓比 較器11所接收的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)放大后的模擬信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)，包括目標(biāo)信號(hào)和背 景噪聲的混合信號(hào)。圖9所示實(shí)施例表明本實(shí)用新型一種聲源定位裝置的分析鎖存模塊6中的電壓比 較器11的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)為連續(xù)的方波信號(hào)。實(shí)施例1一種聲源定位裝置的上位機(jī)系統(tǒng)3中的定位計(jì)算方法如下在如圖10所示的正四面體陣列的結(jié)構(gòu)中，正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)Sp S2, S3和S4分 別為四個(gè)麥克風(fēng)，O既為笛卡爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)，同時(shí)也是正四面體底面的中心，設(shè)Q為目標(biāo) 點(diǎn)，坐標(biāo)為Q(x,y,z),坐標(biāo)原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)OQ的距離為r米，OQ在XOY平面的投影為0Q，，定 義0Q’與X軸的夾角為α，OQ與Z軸的夾角為β ；假設(shè)S1到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離為a米，則四個(gè)麥克風(fēng)的坐標(biāo)分別為S1 = (a, 0,0), S2 - (--a,-—a,0) ^S3 -S4 =(0,0, —α),如果用c表示聲速，設(shè)Q到四個(gè)麥克風(fēng)的距離分別為米、r2米、r3米、r4米，則 目標(biāo)聲音信號(hào)到達(dá)S4與到達(dá)其它麥克風(fēng)的距離之差為d4i = T4Ti = c · t4i (i = 1、2、3)[0069] 根據(jù)麥克風(fēng)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得如下方程組
2 2 2 2 ■ χ + y + ζ = r
x2+y2+(z-^-a)2 =r42
ι2
(χ + -αγ +(y-y-a)2 +z2 =(r4+d43)2 jJ^
(x + -a)2+(y + — a)2+ζ2 =(r4+d42)2
y(x-a)2+y2+z2=(r4+d4l)2
χ = rsin β cos, a y = r sin ^ sin ζ = r cos β
O0 <α<360° O0 < < 90° ； 考慮到實(shí)際應(yīng)用中，聲源到麥克風(fēng)陣列的距離r應(yīng)大于1米，而各個(gè)麥克風(fēng)的間距
d為22
24厘米，當(dāng)聲源與麥克風(fēng)陣列的距離遠(yuǎn)大于麥克風(fēng)之間的間距時(shí)，S卩J>3，采用
遠(yuǎn)場(chǎng)模型近似并綜合參考已有各種平面及立體陣列的推導(dǎo)原理，最終得出聲源的方位角公 式為
a w
arctan(V3 ^42" ^43 )
8
權(quán)利要求一種聲源定位裝置，其特征在于是三維空間聲源目標(biāo)定位裝置，由聽(tīng)覺(jué)傳感器、聲源信號(hào)微處理器和上位機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中，所述聽(tīng)覺(jué)傳感器是四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，四個(gè)麥克風(fēng)分別位于該正四面體結(jié)構(gòu)的四個(gè)頂點(diǎn)；所述聲源信號(hào)微處理器由聲音信號(hào)放大模塊、分析鎖存模塊和通信傳輸模塊構(gòu)成；所述上位機(jī)系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)構(gòu)成；聽(tīng)覺(jué)傳感器與聲源信號(hào)微處理器之間的硬件部分、聲源信號(hào)微處理器與上位機(jī)系統(tǒng)之間的硬件部分、聲音信號(hào)放大模塊和分析鎖存模塊之間的硬件部分、分析鎖存模塊和通信傳輸模塊之間的硬件部分均用導(dǎo)線相互連接。
2.按照權(quán)利要求1所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述四元正四面體結(jié)構(gòu)是用 硬質(zhì)材料做成的正四面體構(gòu)架，其尺寸是四面體的邊長(zhǎng)為24. 14cm。
3.按照權(quán)利要求1所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥 克風(fēng)陣列中所用的麥克風(fēng)是全向型電容式麥克風(fēng)。
4.按照權(quán)利要求3所述一種聲源定位裝置，其特征在于所用的全向型電容式麥克風(fēng) 是柱極式麥克風(fēng)。
5.按照權(quán)利要求1所述一種聲源定位裝置，其特征在于在所述聲源信號(hào)微處理器中， 聲音信號(hào)放大模塊包括集成運(yùn)算信號(hào)放大器、增益調(diào)整電位器和信號(hào)指示燈；分析鎖存模 塊主要包括電壓比較器、觸發(fā)器和單片機(jī)；通信傳輸模塊是串口通信設(shè)備。
6.按照權(quán)利要求5所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述的電壓比較器是集成運(yùn) 算放大器。
7.按照權(quán)利要求5所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述的單片機(jī)是8位單片機(jī)。
8.按照權(quán)利要求5所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述的信號(hào)指示燈是發(fā)光二極管。
9.按照權(quán)利要求5所述一種聲源定位裝置，其特征在于所述的增益調(diào)整電位器的總 阻值在IOk至IOOk之間。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型一種聲源定位裝置，涉及應(yīng)用聲波通過(guò)確定多個(gè)方向的配合來(lái)定位的裝置，是三維空間聲源目標(biāo)定位裝置，由聽(tīng)覺(jué)傳感器、聲源信號(hào)微處理器和上位機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。所述聽(tīng)覺(jué)傳感器是四元正四面體結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，四個(gè)麥克風(fēng)分別位于該正四面體結(jié)構(gòu)的四個(gè)頂點(diǎn)；所述聲源信號(hào)微處理器由聲音信號(hào)放大模塊、分析鎖存模塊和通信傳輸模塊構(gòu)成；所述上位機(jī)系統(tǒng)由定位計(jì)算方法和外圍設(shè)備構(gòu)成。各個(gè)部分和各個(gè)模塊之間的硬件部分均用導(dǎo)線相互連接。本實(shí)用新型一種聲源定位裝置實(shí)現(xiàn)了在三維空間中對(duì)任意位置聲源的準(zhǔn)確定位，由此構(gòu)建全方位的“聽(tīng)覺(jué)場(chǎng)景”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、且具有抗噪能力。
文檔編號(hào)G01S5/18GK201765319SQ20102021531
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者何蒙, 孫昊, 孫海榮, 徐勤奇, 楊鵬, 祖麗楠, 谷岳 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)