位浩杰，徐勝男，任學(xué)智，李　琪，劉鳳祥

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580)

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基于聲強(qiáng)差效應(yīng)的聲源定位系統(tǒng)演示儀

位浩杰，徐勝男，任學(xué)智，李琪，劉鳳祥

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島266580)

摘 要：介紹一種基于聲強(qiáng)差效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的聲源定位系統(tǒng)，以STM8單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心，有源蜂鳴器組成近場(chǎng)聲源模塊。通過(guò)演示對(duì)近場(chǎng)聲源的實(shí)時(shí)定位，解決了原有定位技術(shù)的對(duì)近場(chǎng)聲源跟蹤不連續(xù)的問(wèn)題，使聲源定位這一技術(shù)更加實(shí)用化、可視化。

關(guān)鍵詞：聲強(qiáng)差效應(yīng)；聲源定位；STM8；近場(chǎng)聲源

聲音定位技術(shù)利用聲學(xué)與電子裝備接收聲波來(lái)確定聲響模塊具體位置的一種技術(shù)，它在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用前景。它可用于控制攝像頭和傳聲器陣列的移動(dòng)；也可用于語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行音頻的預(yù)處理，以提供高質(zhì)量的聲音信號(hào)，提高語(yǔ)音的識(shí)別率；亦可用于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的聲音獲取以提高聲音拾取質(zhì)量[1]。目前對(duì)聲源定位技術(shù)的研究主要集中于時(shí)延估計(jì)技術(shù)以及麥克風(fēng)陣列的聲源定位，主流的研究方向主要由基于時(shí)延估計(jì)的算法的研究、基于自適應(yīng)波束形成方法以及基于高分辨的子空間定位方法。

本演示儀器根據(jù)多對(duì)聲音傳感器采集到聲音的聲強(qiáng)差來(lái)對(duì)空間的聲源進(jìn)行定位和跟蹤的方法，解決了采用時(shí)延估計(jì)方法不能對(duì)連續(xù)發(fā)聲聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的缺陷以及市場(chǎng)上缺少聲源跟蹤演示儀器的問(wèn)題；使人們不僅能從教學(xué)上了解聲源定位的原理，也能推動(dòng)聲源定位跟蹤在可視電話、視頻會(huì)議、智能機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用[2]。

1系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1聲強(qiáng)差效應(yīng)

聲強(qiáng)差效應(yīng)也是我們聽(tīng)覺(jué)辨別聲源方位助重要根據(jù)之一，原理如圖1所示。它的原理是：如果一個(gè)聲音來(lái)自聽(tīng)者前方的中軸線上，那么，聲音到達(dá)雙耳的聲音大小是一樣的，于是聽(tīng)者就覺(jué)得這個(gè)聲音處在前方；倘若聲音來(lái)自聽(tīng)者的左側(cè)，聽(tīng)者就覺(jué)得聲源偏左[3]。

1.2系統(tǒng)裝置原理

本演示裝置由聲源陣列模塊、聲音接收模塊，驅(qū)動(dòng)定位模塊構(gòu)成。圖2為裝置原理圖：

系統(tǒng)的具體工作方式是：演示儀由5V電源適配器供電進(jìn)行工作；首先，聲源陣列模塊中的單片機(jī)產(chǎn)生頻率不同的方波作為聲響信號(hào)，利用可調(diào)音頻功率放大器進(jìn)行功率放大，功率放大后的信號(hào)輸入至有源蜂鳴器發(fā)聲，從而產(chǎn)生頻率不同的聲源信號(hào)，構(gòu)成近場(chǎng)聲源。然后由聲音接收模塊中的聲音傳感器將頻率不同的聲波接收，經(jīng)過(guò)音頻濾波器處理后將其中頻率最高的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；驅(qū)動(dòng)定位模塊中的的矩形波信號(hào)發(fā)生器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形方波，將處理得到的具有“方向性“的矩形方波信號(hào)傳遞給舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)力臂準(zhǔn)確地指向有效聲源的位置，最終實(shí)現(xiàn)聲源準(zhǔn)確定位的演示過(guò)程。

2系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1聲源陣列模塊

本模塊由一定的幾何結(jié)構(gòu)排列而成的若干個(gè)麥克風(fēng)組成的平面陣列平面陣列在平面內(nèi)定位性能優(yōu)越，在空間內(nèi)定位性能也較好，可以選擇的定位算法很多，適合于絕大多數(shù)的定位系統(tǒng)[4-5]。聲源陣列模塊中的單片機(jī)在預(yù)定程序的控制下產(chǎn)生頻率不同的方波作為聲響信號(hào)，利用音頻集成功放LM386組成的可調(diào)音頻功率放大器進(jìn)行最高200增益的功率放大，功率放大后的信號(hào)輸入至有源蜂鳴器發(fā)聲，產(chǎn)生頻率不同的聲源信號(hào)作為近場(chǎng)聲源。

該系統(tǒng)的近場(chǎng)聲源模型在單片機(jī)的控制下有兩種模式，近場(chǎng)模型如圖3所示。

模式一：蜂鳴器發(fā)聲頻率沿X軸由高到低發(fā)生變化；模式二：蜂鳴器發(fā)聲頻率沿Y軸由高到低變化。

2.2聲音接收模塊

聲波使聲音傳感器中的麥克風(fēng)陣列將頻率不同的聲波接收，麥克風(fēng)內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓，這一電壓經(jīng)放大后再經(jīng)過(guò)音頻濾波器處理，得到其中頻率最高的聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送至數(shù)據(jù)采集器接收[6]。有源高通濾波電路如圖4所示：

2.3驅(qū)動(dòng)定位模塊

驅(qū)動(dòng)定位模塊主要是通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程。脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)波是一種可用程序控制占空比、周期和相位的波形。舵機(jī)是通過(guò)周期固定的脈沖信號(hào)控制的，這個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)可以由PWM實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為若干Hz的基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)基準(zhǔn)信號(hào)與外部所給PWM波的正脈沖持續(xù)時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的大小。PWM波可由單片機(jī)編程調(diào)整占空比大小，完成對(duì)舵機(jī)的控制[7-8]。驅(qū)動(dòng)定位模塊中的的矩形波信號(hào)發(fā)生器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形方波，將處理得到的具有“方向性”的矩形方波信號(hào)傳遞給舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)力臂準(zhǔn)確地指向有效聲源的位置，兩個(gè)舵機(jī)分別控制前后和左右的方向定位，使定位更加準(zhǔn)確，迅速。

2.4裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，1—單片機(jī)及其控制模塊，2—近場(chǎng)聲源陣列(有源蜂鳴器)，3—聲傳感器，4—音頻濾波器和比較器，5—矩形波發(fā)生器，6—舵機(jī)，7—力臂，8—儀器支架。

3系統(tǒng)演示過(guò)程與分析

演示儀器的演示過(guò)程如下：系統(tǒng)在電源適配器提供5V電源供電下開(kāi)始工作，四個(gè)蜂鳴器在單片機(jī)控制產(chǎn)生的四個(gè)頻率不同的脈沖信號(hào)發(fā)出不同頻率的聲信號(hào)，麥克風(fēng)陣列接收到聲音信號(hào)然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后進(jìn)行高通濾波電路和功率放大電路的處理，比較來(lái)自相對(duì)位置聲音傳感器接受到信號(hào)的大小判斷出聲源位置，而后向舵機(jī)輸出具有“方向性”的矩形波電流，使力臂擺動(dòng)指向聲源位置。聲源定位的測(cè)試過(guò)程分為聲源沿X軸方向移動(dòng)，或者沿Y軸方向移動(dòng)，發(fā)聲頻率的變化范圍是200 Hz～1 KHz，測(cè)試的結(jié)果符合近場(chǎng)聲源定位的要求[9]。

4結(jié)論

本文為解決現(xiàn)有的基于時(shí)延估計(jì)方法的聲源定位儀器不能對(duì)連續(xù)發(fā)聲聲源定位的缺點(diǎn)，提出了基于STM8單片機(jī)的智能聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和工作原理。通過(guò)STM8單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，根據(jù)聲強(qiáng)差原理的進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)相對(duì)位置的蜂鳴器接收到的聲信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出聲源位置并控舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使力臂指向聲源處，具有可實(shí)時(shí)判斷聲源位置并對(duì)其快速準(zhǔn)確定期的優(yōu)點(diǎn)。

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Sound Localization System Based on Sound Intensity Difference Effect of Demonstration Instrument

WEI Hao-jie，XU Sheng-nan，REN Xue-zhi，LI Qi，LIU Feng-xiang

(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

Key words：sound intensity difference effect；the sound source localization；STM8；near field source

Abstract：It introduces a sound localization system which design based on sound intensity difference effect,according to the core of the STM8 single--chip microcomputer for data processing,active buzzer of near field sound source module.Through the demonstration of the near field source real-time positioning,solves the existing positioning technology of near field sound source-tracking discontinuous problems,makes the technology more practical and visualization.

收稿日期：2016-03-25

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015AM023)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(js201415)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201510425065)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0070-04

中圖分類(lèi)號(hào)：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.020