一种基于电模拟耦合结构的声源定位装置

摘要

本发明涉及一种基于电模拟耦合结构的声源定位装置，包括依次连接的输入模块、耦合处理模块、输出模块及后处理模块，所述输入模块接收声信号并转换为电流信号，所述耦合处理模块将输入模块的电流信号的相位放大，并将放大的电压信号传递给输出模块，所述输出模块将电压转换为数字信号传入后处理模块，所述后处理模块计算声源的方位信息。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、精确度高、信号即时性好，适用范围大等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及声学定位领域，尤其是涉及一种基于电模拟耦合结构的声源定位 装置。

背景技术

美国学者R.N.Miles、Robert等人于90年代研究了奥米亚棕蝇(Ormia ochracea) 的听觉定向机制，发现该寄生蝇的声定位能力得益于其具有耦合结构的听觉器官， 并于近几年研制了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，利用激光衍射技术得到振动信号，从而实现了接近理想的压差式传声器的指向 特性。

在国外，文献查新发现，美国专利号US6963653B1，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，但其提出的定位方法只具备二维声定位功能。

在国内，文献查新发现，中国专利号CN101226235A，公开日为2008.7.23， 专利名称为基于机械耦合振膜的声源三维定位方法。该专利基于对微型生物声传感 定位系统的构造特点、定位原理及其非线性动力学机制等的深入探索，提出了一种 准确描述寄生蝇听觉感应系统的力学模型，掌握了寄生蝇听觉感应系统的生物力学 参数及其对系统动态特性的影响，从机械耦合振膜结构中获得了系统的振动特征 量，并建立了特征量同声源方向信息之间的关系，通过一定算法精确解算出声波入 射角度，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。但是，上述方法的实验室模型加工难度大，加工和装配精度要求较高， 另外，还受到材料性能、形状、加工工艺等因素的制约，所以声源识别精度难以满 足要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电模拟 耦合结构的声源定位装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电模拟耦合结构的声源定位装置，其特征在于，包括依次连接的输入 模块、耦合处理模块、输出模块及后处理模块，所述输入模块接收声信号并转换为 电流信号，所述耦合处理模块将输入模块的电流信号的相位放大，并将放大的电压 信号传递给输出模块，所述输出模块将电压转换为数字信号传入后处理模块，所述 后处理模块计算声源的方位信息。

所述输入模块包括预处理模块和三个压电传感器，所述压电传感器受声源信号 激励产生电压信号并将其传输给预处理模块，所述预处理模块将电压信号转换为电 流信号。

所述预处理模块设有将微弱电压信号放大的电压放大器。

所述耦合处理模块包括三条并联的输入输出支路和一条耦合回路，输入模块分 别与三条输入输出支路的输入端连接，所述的三条输入输出支路的输出端分别与输 出模块连接，所述的三条输入输出支路还分别与耦合回路连接。

每条输入输出支路均有一组并联的电阻和电容，所述的耦合回路由三个依次串 联的电感构成，所述的电阻与输入模块串联连接，所述的电容与输出模块并联连接， 所述的电容一端接地，另一端接在两相邻电感之间。

所述的电阻与输入模块之间设有电流表，所述的电容与电感之间设有电压表。

所述输出模块包括依次连接的A/D转换器、调理器、采集器，所述A/D转换 器将电压信号转换为数字信号，该数字信号经过调理器调理后通过采集器对信号进 行采样、示波显示以及保存。

所述后处理模块根据获得的三个放大后相位差，采用耦合处理方法解算出声源 的方位信息。

所述声源方位信息是指声源入射方向与压电传感器之间的几何关系，即在由压 电传感器确定的球坐标系中的经度θ和纬度α。

所述耦合处理方法指采用声-电类比的方式模拟机械耦合的处理过程。

机械耦合和电路耦合类比关系如下表所示：

机械耦合 电路耦合

m C c 1/R k 1/L_cf I x U

在机械耦合结构如图2所示。D₁，D₂，D₃为三个声接收振膜，振膜面积为S， B₁，B₂，B₃为三个连杆，连杆的支点为O，连杆之间通过刚度为k₃的弹簧连接。

采用声-电类比的方式，上述的结构图可以类比为电路图，如图3所示。它们 都具有相同的微分方程：

$\left(\begin{array}{ccc}m& 0& 0\\ 0& m& 0\\ 0& 0& m\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{··}{x}}_1\\ {\stackrel{··}{x}}_2\\ {\stackrel{··}{x}}_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}c& 0& 0\\ 0& c& 0\\ 0& 0& c\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_1\\ {\stackrel{·}{x}}_2\\ {\stackrel{·}{x}}_3\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{k}_1+{2k}_3& k_3& k_3\\ k_3& k_1+{2k}_3& k_3\\ k_3& k_3& k_1+{2k}_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ f_3\end{array}\right)---\left(1\right)$

在机械耦合方法中，系统输入声压p与各个振膜位移之间的传递函数为：

$\left(\begin{array}{c}{H}_{x_{1}p}\\ H_{x_{2}p}\\ H_{x_{3}p}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{A}_1/B& A_2/B& A_2/B\\ A_2/B& A_1/B& A_2/B\\ A_2/B& A_2/B& A_1/B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}^{{\mathrm{s\tau }}_1}\\ e^{{\mathrm{s\tau }}_2}\\ e^{{\mathrm{s\tau }}_3}\end{array}\right),---\left(2\right)$

为时延相关参数，矩阵参数为：

$\frac{A_1}{B}=\frac{1}{3({\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k_1+{4k}_3)}+\frac{2}{3({\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k_1+k_3)}$，           (3)

$\frac{A_2}{B}=\frac{1}{3({\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k_1+{4k}_3)}-\frac{1}{3({\mathrm{ms}}^2+\mathrm{cs}+k_1+k_3)}$

其中，f为声源的主频率，ω＝2πf，i为虚数单位，s＝iω/f；m为机械耦合振膜 的质量，对应于电路中电容的大小C；c为振膜及传声媒质的阻尼，对应电路中电 阻的大小的倒数1/R；k₁为振膜的等效刚度，k₃连杆之间弹簧的刚度，均对应于电 路中电感的大小的倒数1/Lc，x为振膜的位移，对应电路中的电压U，为位移x的 一次导数，为位移x的二次导数；

s₁、s₂、s₃分别为三个压电传感器，H₁₃为压电传感器s₁与s₃之间的传递函数， H₂₃为压电传感器s₂与s₃之间的传递函数，根据上述公式可得：

$H_{13}=\frac{H_{x_{1}p}}{H_{x_{3}p}}$

$H_{23}=\frac{H_{x_{2}p}}{H_{x_{3}p}},---\left(4\right)$

这样就建立了H₁₃，H₂₃与时延(τ₁，τ₂，τ₃)之间的关系。

采用定位方法计算获得实时的声源方向信息，其几何关系的公式为：

$\frac{({\tau }_3-{\tau }_2)c_0}{\sqrt{3}d}=\sin \theta \sin \alpha =D_1$

$\frac{({\tau }_2-{\tau }_1)+({\tau }_3-{\tau }_1)}{3d}{c}_0=\sin \theta \cos \alpha =D_2---\left(5\right)$

结合(4)和(5)，可以得到方位角和H₁₃，H₂₃之间的关系，具体公式为：

$\sin \theta =\sqrt{D_1^2+D_2^2}$

$\sin \alpha =\frac{D_1}{\sqrt{D_1^2+D_2^2}},---\left(6\right)$

其中：

$D_1=\frac{c_0}{i\sqrt{3}\mathrm{\omega d}}\ln \frac{\frac{1}{L_c}{H}_{13}+\frac{1}{L_c}{H}_{23}+(-{\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})}{\frac{1}{L_c}{H}_{13}+(-{\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})H_{23}+\frac{1}{L_c}},---\left(7\right)$

$D_2=\frac{c_0}{i3\mathrm{\omega d}}\ln [\frac{\frac{1}{L_c}{H}_{13}+(-{\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})H_{23}+\frac{1}{L_c}}{({-\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})H_{13}+\frac{1}{L_c}{H}_{23}+\frac{1}{L_c}}$，         (8)

$+\ln \frac{\frac{1}{L_c}{H}_{13}+\frac{1}{L_c}{H}_{23}+({-\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})}{({-\mathrm{C\omega }}^2+\frac{\mathrm{i\omega }}{R}+\frac{2}{L_c})H_{13}+\frac{1}{L_c}{H}_{23}+\frac{1}{L_c}}]$

上述公式中，c₀为媒质中的声音传播速度，是一个已知常量，d为压电传感器 到中心点的半径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、用电路耦合代替了机械耦合，克服了机械耦合中加工困难与加工误差，实 现了相位放大的功能，从而实现了定位能力。

2、耦合参数用电阻、电感、电容等简单元件实现，各元件容易匹配和实现。

3、耦合参数可优化，以适应不同的测量要求。

4、耦合支路为三条输入输出支路，从而获得两组有效传递函数，能够用于三 维空间内的定位，精度相对于机械系统有所提高。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明所参考机械结构图。

图3为本发明耦合模块电路示意图。

图4为本发明实施例中耦合模块电流信号激励图。

图5为本发明实施例中耦合模块电压信号响应图。

图6为本发明压电传感器布置方位图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种基于电模拟耦合结构的声源定位装置，包括依次连接的输入 模块1、耦合处理模块2、输出模块3及后处理模块4，所述输入模块1接收声信 号并转换为电流信号，所述耦合处理模块2将输入模块1的电流信号的相位放大， 并将放大得到电压信号传递给输出模块3，所述输出模块3将电压转换为数字信号 传入后处理模块4，所述后处理模块4计算声源的方位信息。

所述输入模块1包括预处理模块和三个压电传感器，所述压电传感器受声源信 号激励产生电压响应，所述预处理模块将电压响应转换为电流信号。所述预处理模 块可以选择增加电压放大器，调节合适的电压幅值，同时不使电压波形发生畸变， 使得微弱的电压信号被放大，电压放大器还能在一定范围内滤波降低信号干扰。

所述输出模块3包括A/D转换器、调理器、采集器，所述A/D转换器将电压 信号转换为数字信号，所述采集器对信号采样、示波显示以及保存。

所述后处理模块根据三个放大后的相位差，采用耦合处理方法解算出声源的方 位信息。

如图3所示，所述耦合处理模块2包括三条并联的输入输出支路201和一条耦 合回路202，输入模块1的三个输出分别对应与三条输入输出支路连接，输入输出 支路一端接地，另一端连接耦合回路202和输出模块3。所述的每条输入输出支路 均有一组并联的电阻和电容(R1与C1、R2与C2、R3与C3)，所述耦合回路202 有三个连接的电感L_c1、L_c2、L_c3。电流源Is_i，i＝1，2，3并非实际电流源，而是模 拟来自输入模块1的电流输入信号。所述的三条输入输出支路分别接有电流表和电 压表，I_i、V_i，i＝1，2，3分别测试输入电流和输出电压。

本发明的核心是通过耦合电路实现信号相位差的放大，本实施例的耦合电路参 数为：

部件符号 参数 大小 单位 R1，R2，R3 电阻值 156 千欧(kΩ) C1，C2，C3 电容值 1.53 毫法(mF) L_c1，L_c2，L_c3 电感值 0.4 毫亨(mH) Is1，Is2，Is3 电流值 1 安培(A) (θ，α) 入射角 见下表 度(°) d 传感器半径 0.05 米(m) c0 声速 340 米/秒(m/s)

注意，这里所用参数并不代表是最优参数，仅作为对耦合放大相位差的解释与 验证的条件。

如图4、5所示，输入电流(图4)没有振幅差和很小的相位差，经过耦合电 路后，输出电压(图5)有小振幅和更明显的相位差。显然，相位差得到了放大。

如图6所示，压电传感器s1、s2、s3布置在xy平面的1、2、3点上，声源为 S，声源的入射角度为(θ，α)。将上表中的参数分别代入公式(1)、(2)、(3)，通过输 出电流之间传递函数的解算，由公式(4)、(5)、(6)可以解出入射角，选取解算的平 均值作为定位结果，如下表所示：

(θ，α)[输入] 仿真结果 最大误差 (30°，87°) (31.197°，85.864°) 1.136° (30°，84°) (31.578°，83.007°) 1.578° (30°，81°) (31.377°，80.140°) 1.377° (30°，78°) (31.093°，77.268°) 1.093°

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限定本发明，凡在本发明的精神 和原则之内的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。