[发明专利]基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法

权利要求书

1.基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，所述听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该三元正三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，所述声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，所述上位机为安装了NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。

2.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述三元正三角形结构是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm，所述三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风。

3.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述声音放大模块采用集成运算放大器LM324，所述数据采集模块采用NI9215A数据采集卡。

4.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述时延计算模型和方位角计算模型一起共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下：

第一步，设定三个麦克风的坐标：

麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S₁、S₂和S₃，O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(x，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ＝r，定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值0度～360度，假设S₁到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为：S₁(0,a)，

第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计：

在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)    (1)

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延值。

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

GX1X2(ω)=X1(ω)X2*(ω)---(2)]]>

其互相关函数为：

Rx1x2(τ)=∫0πGX1X2(ω)ejωτdω---(3)]]>

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是麦克风S₂和与麦克风S₁之间的时延值τ₂₁，用同样的方法可以计算出麦克风S₃与麦克风S₁之间的时延值τ₃₁；

第三步，由方位角计算模型进行计算声源目标在麦克风阵列位姿下的方位角α：

从上述第二步得到声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值分别为：τ₂₁、τ₃₁，

这时得出声源的方位角公式为：

β≈arctan3τ31-τ21τ31+τ21---(4)]]>

上述公式(4)中，β是方位角的统称，因为象限的关系，上述公式(4)计算得出的方位角β的角度不一定在规定方位角范围内，公式(4)arctan计算的结果范围为-90度到90度，而所需要的规定方位角结果范围为0度到360度,这就需要进行分象限处理，经由如下的方位角象限处理过程，得出声源目标在麦克风阵列位姿的方位角α为：

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＞0时，方位角α＝β，

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＜0时，方位角α＝180+β，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＞0时，方位角α＝β+360，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＜0时，方位角α＝180+β。