基于声强差效应的声源定位系统演示仪

位浩杰，徐胜男，任学智，李　琪，刘凤祥

(中国石油大学(华东)，山东 青岛　266580)



基于声强差效应的声源定位系统演示仪

位浩杰，徐胜男，任学智，李琪，刘凤祥

(中国石油大学(华东)，山东 青岛266580)

摘 要：介绍一种基于声强差效应进行设计的声源定位系统，以STM8单片机为数据处理核心，有源蜂鸣器组成近场声源模块。通过演示对近场声源的实时定位，解决了原有定位技术的对近场声源跟踪不连续的问题，使声源定位这一技术更加实用化、可视化。

关键词：声强差效应；声源定位；STM8；近场声源

声音定位技术利用声学与电子装备接收声波来确定声响模块具体位置的一种技术，它在日常生活中有着广泛的应用前景。它可用于控制摄像头和传声器阵列的移动；也可用于语音识别进行音频的预处理，以提供高质量的声音信号，提高语音的识别率；亦可用于强噪声环境下的声音获取以提高声音拾取质量[1]。目前对声源定位技术的研究主要集中于时延估计技术以及麦克风阵列的声源定位，主流的研究方向主要由基于时延估计的算法的研究、基于自适应波束形成方法以及基于高分辨的子空间定位方法。

本演示仪器根据多对声音传感器采集到声音的声强差来对空间的声源进行定位和跟踪的方法，解决了采用时延估计方法不能对连续发声声源进行实时定位的缺陷以及市场上缺少声源跟踪演示仪器的问题；使人们不仅能从教学上了解声源定位的原理，也能推动声源定位跟踪在可视电话、视频会议、智能机器人等高技术领域得到应用[2]。

1系统技术原理

1.1声强差效应

声强差效应也是我们听觉辨别声源方位助重要根据之一，原理如图1所示。它的原理是：如果一个声音来自听者前方的中轴线上，那么，声音到达双耳的声音大小是一样的，于是听者就觉得这个声音处在前方；倘若声音来自听者的左侧，听者就觉得声源偏左[3]。

1.2系统装置原理

本演示装置由声源阵列模块、声音接收模块，驱动定位模块构成。图2为装置原理图：

系统的具体工作方式是：演示仪由5V电源适配器供电进行工作；首先，声源阵列模块中的单片机产生频率不同的方波作为声响信号，利用可调音频功率放大器进行功率放大，功率放大后的信号输入至有源蜂鸣器发声，从而产生频率不同的声源信号，构成近场声源。然后由声音接收模块中的声音传感器将频率不同的声波接收，经过音频滤波器处理后将其中频率最高的声信号转换成电信号输出；驱动定位模块中的的矩形波信号发生器将电信号转换为矩形方波，将处理得到的具有“方向性“的矩形方波信号传递给舵机，舵机驱动力臂准确地指向有效声源的位置，最终实现声源准确定位的演示过程。

2系统主要模块设计

2.1声源阵列模块

本模块由一定的几何结构排列而成的若干个麦克风组成的平面阵列平面阵列在平面内定位性能优越，在空间内定位性能也较好，可以选择的定位算法很多，适合于绝大多数的定位系统[4-5]。声源阵列模块中的单片机在预定程序的控制下产生频率不同的方波作为声响信号，利用音频集成功放LM386组成的可调音频功率放大器进行最高200增益的功率放大，功率放大后的信号输入至有源蜂鸣器发声，产生频率不同的声源信号作为近场声源。

该系统的近场声源模型在单片机的控制下有两种模式，近场模型如图3所示。

模式一：蜂鸣器发声频率沿X轴由高到低发生变化；模式二：蜂鸣器发声频率沿Y轴由高到低变化。

2.2声音接收模块

声波使声音传感器中的麦克风阵列将频率不同的声波接收，麦克风内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压，这一电压经放大后再经过音频滤波器处理，得到其中频率最高的声信号对应的电信号，该电信号经过A/D转换后送至数据采集器接收[6]。有源高通滤波电路如图4所示：

2.3驱动定位模块

驱动定位模块主要是通过单片机产生脉宽调制波，控制舵机转动来实现定位过程。脉宽调制(pulse width modulation，PWM)波是一种可用程序控制占空比、周期和相位的波形。舵机是通过周期固定的脉冲信号控制的，这个连续的脉冲信号可以由PWM实现。舵机内部会产生一个频率为若干Hz的基准信号，通过基准信号与外部所给PWM波的正脉冲持续时间进行比较，从而确定转向和转角的大小。PWM波可由单片机编程调整占空比大小，完成对舵机的控制[7-8]。驱动定位模块中的的矩形波信号发生器将电信号转换为矩形方波，将处理得到的具有“方向性”的矩形方波信号传递给舵机，舵机驱动力臂准确地指向有效声源的位置，两个舵机分别控制前后和左右的方向定位，使定位更加准确，迅速。

2.4装置实物结构图

系统实物结构图如图5所示，1—单片机及其控制模块，2—近场声源阵列(有源蜂鸣器)，3—声传感器，4—音频滤波器和比较器，5—矩形波发生器，6—舵机，7—力臂，8—仪器支架。

3系统演示过程与分析

演示仪器的演示过程如下：系统在电源适配器提供5V电源供电下开始工作，四个蜂鸣器在单片机控制产生的四个频率不同的脉冲信号发出不同频率的声信号，麦克风阵列接收到声音信号然后转化为电信号，然后进行高通滤波电路和功率放大电路的处理，比较来自相对位置声音传感器接受到信号的大小判断出声源位置，而后向舵机输出具有“方向性”的矩形波电流，使力臂摆动指向声源位置。声源定位的测试过程分为声源沿X轴方向移动，或者沿Y轴方向移动，发声频率的变化范围是200 Hz～1 KHz，测试的结果符合近场声源定位的要求[9]。

4结论

本文为解决现有的基于时延估计方法的声源定位仪器不能对连续发声声源定位的缺点，提出了基于STM8单片机的智能声源定位系统的设计方法和工作原理。通过STM8单片机控制蜂鸣器发出不同频率的声音，根据声强差原理的进行设计，对相对位置的蜂鸣器接收到的声信号进行比较，判断出声源位置并控舵机运转使力臂指向声源处，具有可实时判断声源位置并对其快速准确定期的优点。

参考文献：

[1]林积微,欧阳清,李辉.一种平面传声器阵列在声源定位中的研究[J].电声技术,2007,12:4-6+9.

[2]郭俊成.基于传声器阵列的声源定位技术研究[D].南京航空航天大学,2007.

[3]龙长才,姚秋平.双耳信号时差与强度差的听觉效应[J].华中理工大学学报,1999,11:107-109.

[4]林志斌,徐柏龄.基于传声器阵列的声源定位[J].电声技术,2004,05:19-23.

[5]黄海军.基于传声器阵列的声源定位系统的初步研究[D].东华大学,2013.

[6]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版,2014.

[7]张伟.基于传声器阵列的被动声定位研究[D].南京理工大学,2006.

[8]刘云武,杨卫.基于传声器阵列的声源定位系统设计[J].压电与声光,2014,02:314-316.

[9]刘哲,陈日林,滕鹏晓,杨亦春.基于平面传声器阵列的声源定位系统[J].声学技术,2011,02:123-128.

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

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2015AM023)；中国石油大学(华东)精品实验项目(js201415)；中国石油大学(华东)大学生创新创业训练项目(201510425065)

文章编号：1007-2934(2016)03-0070-04

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.020