CN101226235A - 基于机械耦合振膜的声源三维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动与声学领域内的声基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，步骤为：第一步，采用具有相互机械耦合的三个振膜，在声源激励下产生振动响应；第二步，通过换能元件及模拟/数字转换器将第一步得到的振动响应转换成数字信号；第三步，对第二步得到的数字信号进行分析处理，从而获得与声源方向信息有关的特征量；第四步，通过特征量与声源方向信息之间的一一对应关系，采用定位方法计算得到实时的声源方向信息。本发明建立了从振动序列提取出的特征量同声源方向信息之间的关系，从而得出到了一种声源三维定位方法，解决了三维空间中耦合振膜结构声源定位的问题。

Description

基于机械耦合振膜的声源三维定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种振动与声学领域内的声源定位方法，具体地说，是一种基于机械耦合振膜的声源三维定位方法。

背景技术

声音定位在工程应用中具有重要的价值，90年代，美国学者R.N.Miles等人研究了一种具有优异的声定位能力的奥米亚棕蝇(Ormia ochracea)，该寄生蝇的声定位能力得易于其具有耦合结构的听觉器官。在随后的一段时间里，Miles等人、日本东京大学和美国马里兰大学等研究机构分别提出了相应的仿生声定位方法。但Miles等人和马里兰大学的于淼等人所提出的定位方法均只具有二维的声定向功能，东京大学的学者提出的声定位方法虽具有三维声定向功能，但其定位理论不够完善，且定向误差很大。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利号6963653，公开日为2005.11.8，专利名称为：多级指向性麦克风振膜，该专利自述为：“该发明具有微型化的特征，是一个二级的硅微晶麦克风振膜，该振膜通过硅微加工制造技术成型。”该专利描述了一种压差型传声器及其指向特性。但这种定位方法只对在二维平面上的声源的方向具备感应的能力，且该专利只对其具有的“8”字形声源指向特性做了描述，并未建立完善的定位方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，使其能在三维空间内实时地得到声源方向信息θ和α的计算值和实际值之间的差异的定位误差小于2°的声定位精度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，采用具有相互机械耦合的三个振膜，在声源激励下产生振动响应。

第二步，通过换能元件及模拟/数字转换器将第一步得到的振动响应转换成数字信号。

第三步，对第二步得到的数字信号进行分析处理，从而获得与声源方向信息有关的特征量。

所述的声源方向信息有关的特征量，是指：对三个振动信号进行分析得到的主频率f₀、振动位移x₁、x₃的傅立叶变换的比值H₁₃和振动位移x₂、x₃的傅立叶变换的比值H₂₃，这些特征量与声源方向信息相关，其中x₁，x₂和x₃分别为振动位移信号的三个序列。

所述的声源方向信息，是指声源入射方向与定位装置之间的几何关系，也即在由定位装置确定的球坐标系中的经度θ和纬度α，且根据定位方法的几何关系，可以知道θ∈[0，π/2]，α∈[0，2π]。

第四步，通过特征量与声源方向信息之间的一一对应关系，采用定位方法计算得到实时的声源方向信息。

所述采用定位方法计算得到实时的声源方向信息，具体公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}\\ \sin \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_1}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_2}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\end{array}\right.$

其中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Index}}_1=\frac{\mathrm{cc}}{j\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}\\ {\mathrm{Index}}_2=\frac{\mathrm{cc}}{j3{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·[\ln \frac{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}+\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}],\end{array}\right.$

$A=\frac{-m{{\mathrm{\ω}}_0}^2+j{\mathrm{\ω}}_{0}c+k_1+2k_3}{S},$ $B=\frac{k_3}{S}$

上述公式中，θ、α分别为目标声源的方向信息经度和纬度，x₁，x₂和x₃分别为振动位移信号的三个序列，声源的主频率f₀，H₁₃为振动位移序列x₁与x₃的傅立叶变换在主频率处的比值，H₂₃为振动位移序列x₂与x₃的傅立叶变换在主频率处的比值，其中ω₀＝2πf₀，j为虚数单位，m为机械耦合振膜的质量，c为振膜及声传输媒质的阻尼，k₁和k₃分别为振膜和机械耦合结构的等效刚度，S为振膜的面积，这些力学参数均由机械耦合振膜结构确定，cc为媒质中的声音传播速度，是一个已知常数，d为耦合振膜结构的尺寸参数，代表任意单个振膜的中心到整个机械耦合振膜结构中心之间的距离，由机械耦合振膜结构确定。

所述定位方法，其成立的充分条件为：目标声源的频率和结构的尺寸应满足 $f_0\≤\frac{\mathrm{cc}}{4d}$ 或者 $d\≤\frac{\mathrm{cc}}{4f_0},$ 其中cc为媒质中的声音传播速度，是一个已知常数，d为耦合振膜结构的尺寸参数，代表任意单个振膜的中心到整个机械耦合振膜结构中心之间的距离，由机械耦合振膜结构确定，声源的主频率f₀。

本发明建立了从振动序列提取出的特征量同声源方向信息之间的关系，从而得到了一种声源三维定位方法，解决了三维空间中耦合结构声源定位的理论问题。实验表明，本发明在其适用的频率范围内，定位误差(声源方向信息θ和α的计算值和实际值之间的差异)小于2°，且在低频部分的定位误差将会更小(远小于2°)。

附图说明

图1是声定位方法的几何关系图。

图2是声源方向角α的一组结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的核心部分是提取振动信号中特征量得到声源方向信息的定位方法。

振动位移信号的三个序列分别为x₁，x₂和x₃，利用自相关函数性质可以确定声源的主频率f₀，与声源方向信息有关的特征量为H₁₃，H₂₃，其中H₁₃为振动位移x₁与振动位移x₃的傅立叶变换在主频率处的比值，同理H₂₃为振动位移x₂与振动位移x₃的傅立叶变换在主频率处的比值。

定义：

$A=\frac{-m{{\mathrm{\ω}}_0}^2+j{\mathrm{\ω}}_{0}c+k_1+2k_3}{S};$ $B=\frac{k_3}{S}$

其中ω₀＝2πf₀；j为虚数单位；m为机械耦合振膜的质量，c为振膜及声传输媒质的阻尼，k₁和k₃分别为振膜和机械耦合结构的等效刚度，S为振膜的面积，这些力学参数均由机械耦合振膜结构确定，对定位方法来说是已知量。

再定义：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Index}}_1=\frac{\mathrm{cc}}{j\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}\\ {\mathrm{Index}}_2=\frac{\mathrm{cc}}{j3{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·[\ln \frac{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}+\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}],\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中cc为媒质中的声音传播速度，是一个已知常数(例如在空气中，室温下的声速约为344m/s)；d为振膜的尺寸参数，代表任意单个振膜的中心到整个机械耦合振膜结构中心之间的距离，由机械耦合振膜结构确定，如图1所示；j，ω₀，A，B，H₁₃和H₂₃的定义如前面部分所述。

可得：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}\\ \sin \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_1}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_2}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中Index₁，Index₂的定义如公式(1)所示。

由公式(2)即可得到声源的方向信息：经度θ和纬度α.

理论分析表明，该定位方法存在适用范围，即其目标声源的频率和结构的尺寸应满足(该条件为定位方法成立的充分条件)：

$f_0\≤\frac{\mathrm{cc}}{4d}$ 或者 $d\≤\frac{\mathrm{cc}}{4f_0}$ (3)

式(3)表明了这一定位技术的实用范围和基本的设计准则，其中cc，d和f₀的定义如前面部分所述。

本实施例通过对声源激励作用下的力学模型进行仿真计算得到振动序列，通过上述定位方法计算声源的方向信息，同理论上预先任意设定的声源方向信息作比较。

本实施例包括以下各步骤：

(1)通过耦合振膜的力学仿真生成振动序列(即三个振膜声源激励下产生振动，通过换能元件和模拟/数字转换而得到的数字信号序列)x₁，x₂和x₃，预设声源入射角度α＝45°，θ＝45°，声源频率计算的范围从0Hz到25kHz，本实例中，定位方法成立的条件为f₀≤10kHz；

(2)对序列进行处理得到主频率f₀，及H₁₃，H₂₃；

主频率可以利用各振动信号x序列的自相关函数的性质得到，例如设x₁序列的自相关函数为r_xx(n)，x₁序列的采样频率为f_s，自相关函数两相临峰值之间的间隔为N，则：

主频率 $f_0=\frac{f_s}{N}$

H₁₃，H₂₃如前所述为序列x₁与x₃的傅立叶变换在主频率处的比值。

(3)通过公式(1)、(2)计算得到θ和α的值；

通过公式(1)(2)可以解出sinθ，sinα以及cosα根据定位方法的几何关系，可以知道θ∈[0，π/2]，α∈[0，2π]，所以可以根据解出的sinθ，sinα以及cosα值得到θ和α的计算值，然后同预先设定的α＝45°，θ＝45做比较。

(4)将计算值与理论值相比较，以α为例，比较结果如图2所示。

对于入射角度α＝45°的结果表明：在本实施例适用的区域里具有高的精度。对精度产生影响的因素主要是振膜及声传输媒质的阻尼，选择振膜及声传输媒质的等效阻尼分别为c₁＝6.4×10^-6Ns/m，c₂＝3.2×10^-6Ns/m和c₃＝6.4×10^-7Ns/m，可以看出：阻尼的增加将导致结果误差的增大，但阻尼对于主频较低的声入射信号的影响将会很小，如图2所示。

可以看出该定位方法在其定位方法成立的区域具有较精确的定位能力，尤其是在受阻尼影响较低的低频部分，其定位的精度很高。

而在定位方法不成立的频率范围里，则会产生错误，因此在使用本实施例时，应首先估计目标声源的频率范围是否位于该定位方法的许可范围之内。

本实施例通过建立振动序列提取出的特征量同声源方向信息之间的关系，而得到的一种声源三维定位方法，在定位方法成立的情况下能在三维空间内得到很高的声定位精度。该定位方法在其适用的频率范围内，定位误差(声源方向信息θ和α的计算值和实际值之间的差异)小于2°，且在低频部分的定位误差将会更小(远小于2°)。

Claims (5)

1.一种基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，采用具有相互机械耦合的三个振膜，在声源激励下产生振动响应；

第二步，通过换能元件及模拟/数字转换器将第一步得到的振动响应转换成数字信号；

第三步，对第二步得到的数字信号进行分析处理，从而获得与声源方向信息有关的特征量；

第四步，通过特征量与声源方向信息之间的一一对应关系，采用定位方法计算得到实时的声源方向信息。

2.根据权利要求1所述的基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，其特征是，所述的声源方向信息，是指声源入射方向与定位装置之间的几何关系，也即在由定位装置确定的球坐标系中的经度θ和纬度α。

3.根据权利要求1所述的基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，其特征是，所述的声源方向信息有关的特征量，是指：对三个振动信号进行分析得到的主频率f₀、振动位移x₁、x₃的傅立叶变换的比值H₁₃和振动位移x₂、x₃的傅立叶变换的比值H₂₃，这些特征量与声源方向信息相关，其中x₁，x₂和x₃分别为振动位移信号的三个序列。

4.根据权利要求1所述的基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，其特征是，所述采用定位方法计算得到实时的声源方向信息，具体公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}\\ \sin \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_1}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{Index}}_2}{\sqrt{{{\mathrm{Index}}_1}^2+{{\mathrm{Index}}_2}^2}}\end{array}\right.$

其中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Index}}_1=\frac{\mathrm{cc}}{j\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}\\ {\mathrm{Index}}_2=\frac{\mathrm{cc}}{j3{\mathrm{\ω}}_{0}d}\·[\ln \frac{B{H}_{13}+A{H}_{23}+B}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}+\ln \frac{B{H}_{13}+B{H}_{23}+A}{A{H}_{13}+B{H}_{23}+B}],\end{array}\right.$

$A=\frac{-m{{\mathrm{\ω}}_0}^2+j{\mathrm{\ω}}_{0}c+k_1+2k_3}{S},$ $B=\frac{k_3}{S}$

上述公式中，θ、α分别为目标声源的方向信息经度和纬度，x₁，x₂和x₃分别为振动位移信号的三个序列，声源的主频率f₀，H₁₃为振动位移序列x₁与x₃的傅立叶变换在主频率处的比值，H₂₃为振动位移序列x₂与x₃的傅立叶变换在主频率处的比值，其中ω₀＝2πf₀，j为虚数单位，m为机械耦合振膜的质量，c为振膜及声传输媒质的阻尼，k₁和k₃分别为振膜和机械耦合结构的等效刚度，S为振膜的面积，这些力学参数均由机械耦合振膜结构确定，cc为媒质中的声音传播速度，是一个已知常数，d为耦合振膜结构的尺寸参数，代表任意单个振膜的中心到整个机械耦合振膜结构中心之间的距离，由机械耦合振膜结构确定。

5.根据权利要求4所述的基于机械耦合振膜的声源三维定位方法，其特征是，所述定位方法，其成立的充分条件为：目标声源的频率和结构的尺寸应满足 $f_0\≤\frac{\mathrm{cc}}{4d}$ 或者 $d\≤\frac{\mathrm{cc}}{4f_0},$ 其中cc为媒质中的声音传播速度，是一个已知常数，d为耦合振膜结构的尺寸参数，代表任意单个振膜的中心到整个机械耦合振膜结构中心之间的距离，由机械耦合振膜结构确定，声源的主频率f₀。

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