基于聲強差效應(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

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580)

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基于聲強差效應(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

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島266580)

摘 要：介紹一種基于聲強差效應(yīng)進行設(shè)計的聲源定位系統(tǒng)，以STM8單片機為數(shù)據(jù)處理核心，有源蜂鳴器組成近場聲源模塊。通過演示對近場聲源的實時定位，解決了原有定位技術(shù)的對近場聲源跟蹤不連續(xù)的問題，使聲源定位這一技術(shù)更加實用化、可視化。

關(guān)鍵詞：聲強差效應(yīng)；聲源定位；STM8；近場聲源

聲音定位技術(shù)利用聲學(xué)與電子裝備接收聲波來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；也可用于語音識別進行音頻的預(yù)處理，以提供高質(zhì)量的聲音信號，提高語音的識別率；亦可用于強噪聲環(huán)境下的聲音獲取以提高聲音拾取質(zhì)量[1]。目前對聲源定位技術(shù)的研究主要集中于時延估計技術(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延估計的算法的研究、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)多對聲音傳感器采集到聲音的聲強差來對空間的聲源進行定位和跟蹤的方法，解決了采用時延估計方法不能對連續(xù)發(fā)聲聲源進行實時定位的缺陷以及市場上缺少聲源跟蹤演示儀器的問題；使人們不僅能從教學(xué)上了解聲源定位的原理，也能推動聲源定位跟蹤在可視電話、視頻會議、智能機器人等高技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用[2]。

1系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1聲強差效應(yīng)

聲強差效應(yīng)也是我們聽覺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：如果一個聲音來自聽者前方的中軸線上，那么，聲音到達雙耳的聲音大小是一樣的，于是聽者就覺得這個聲音處在前方；倘若聲音來自聽者的左側(cè)，聽者就覺得聲源偏左[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電源適配器供電進行工作；首先，聲源陣列模塊中的單片機產(chǎn)生頻率不同的方波作為聲響信號，利用可調(diào)音頻功率放大器進行功率放大，功率放大后的信號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，構(gòu)成近場聲源。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)過音頻濾波器處理后將其中頻率最高的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出；驅(qū)動定位模塊中的的矩形波信號發(fā)生器將電信號轉(zhuǎn)換為矩形方波，將處理得到的具有“方向性“的矩形方波信號傳遞給舵機，舵機驅(qū)動力臂準確地指向有效聲源的位置，最終實現(xiàn)聲源準確定位的演示過程。

2系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

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，利用音頻集成功放LM386組成的可調(diào)音頻功率放大器進行最高200增益的功率放大，功率放大后的信號輸入至有源蜂鳴器發(fā)聲，產(chǎn)生頻率不同的聲源信號作為近場聲源。

該系統(tǒng)的近場聲源模型在單片機的控制下有兩種模式，近場模型如圖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，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應(yīng)變化的微小電壓，這一電壓經(jīng)放大后再經(jīng)過音頻濾波器處理，得到其中頻率最高的聲信號對應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)過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)動定位模塊

驅(qū)動定位模塊主要是通過單片機產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，控制舵機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)定位過程。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。舵機是通過周期固定的脈沖信號控制的，這個連續(xù)的脈沖信號可以由PWM實現(xiàn)。舵機內(nèi)部會產(chǎn)生一個頻率為若干Hz的基準信號，通過基準信號與外部所給PWM波的正脈沖持續(xù)時間進行比較，從而確定轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的大小。PWM波可由單片機編程調(diào)整占空比大小，完成對舵機的控制[7-8]。驅(qū)動定位模塊中的的矩形波信號發(fā)生器將電信號轉(zhuǎn)換為矩形方波，將處理得到的具有“方向性”的矩形方波信號傳遞給舵機，舵機驅(qū)動力臂準確地指向有效聲源的位置，兩個舵機分別控制前后和左右的方向定位，使定位更加準確，迅速。

2.4裝置實物結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實物結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，1—單片機及其控制模塊，2—近場聲源陣列(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，7—力臂，8—儀器支架。

3系統(tǒng)演示過程與分析

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

4結(jié)論

本文為解決現(xiàn)有的基于時延估計方法的聲源定位儀器不能對連續(xù)發(fā)聲聲源定位的缺點，提出了基于STM8單片機的智能聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計方法和工作原理。通過STM8單片機控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，根據(jù)聲強差原理的進行設(shè)計，對相對位置的蜂鳴器接收到的聲信號進行比較，判斷出聲源位置并控舵機運轉(zhuǎn)使力臂指向聲源處，具有可實時判斷聲源位置并對其快速準確定期的優(yōu)點。

參考文獻：

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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

基金項目：山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015AM023)；中國石油大學(xué)(華東)精品實驗項目(js201415)；中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201510425065)

文章編號：1007-2934(2016)03-0070-04

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.020