專利名稱：基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種振動與聲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的聲源定位方法，具體地說，是一種 基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法。
技術(shù)背景聲音定位在工程應(yīng)用中具有重要的價值，90年代，美國學(xué)者R.N. Miles等 人研究了一種具有優(yōu)異的聲定位能力的奧米亞棕蠅(Ormia ochracea)，該寄生蠅 的聲定位能力得易于其具有耦合結(jié)構(gòu)的聽覺器官。在隨后的一段時間里，Miles 等人、日本東京大學(xué)和美國馬里蘭大學(xué)等研究機構(gòu)分別提出了相應(yīng)的仿生聲定位 方法。但Miles等人和馬里蘭大學(xué)的于淼等人所提出的定位方法均只具有二維的 聲定向功能，東京大學(xué)的學(xué)者提出的聲定位方法雖具有三維聲定向功能，但其定 位理論不夠完善，且定向誤差很大。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號6963653，
公開日為2005. 11. 8， 專利名稱為多級指向性麥克風(fēng)振膜，該專利自述為"該發(fā)明具有微型化的特 征，是一個二級的硅微晶麥克風(fēng)振膜，該振膜通過硅微加工制造技術(shù)成型。"該 專利描述了一種壓差型傳聲器及其指向特性。但這種定位方法只對在二維平面上 的聲源的方向具備感應(yīng)的能力，且該專利只對其具有的"8"字形聲源指向特性 做了描述，并未建立完善的定位方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于機械耦合振膜的聲源 三維定位方法，使其能在三維空間內(nèi)實時地得到聲源方向信息"和"的計算值 和實際值之間的差異的定位誤差小于2。的聲定位精度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步，采用具有相互機械耦合的三個振膜，在聲源激勵下產(chǎn)生振動響應(yīng)。 第二步，通過換能元件及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將第一歩得到的振動響應(yīng)轉(zhuǎn)換成第三步，對第二步得到的數(shù)字信號進行分析處理，從而獲得與聲源方向信息 有關(guān)的特征量。所述的聲源方向信息有關(guān)的特征量，是指對三個振動信號進行分析得到的 主頻率《、振動位移A、力的傅立葉變換的比值//13和振動位移力、A的傅立葉變換的比值//23，這些特征量與聲源方向信息相關(guān)，其中A，局和A分別為振動位移信號的三個序列。所述的聲源方向信息，是指聲源入射方向與定位裝置之間的幾何關(guān)系，也即 在由定位裝置確定的球坐標(biāo)系中的經(jīng)度^和緯度"，且根據(jù)定位方法的幾何關(guān) 系，可以知道0e[O,;z72], "e
。第四步，通過特征量與聲源方向信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系，采用定位方法計 算得到實時的聲源方向信息。所述采用定位方法計算得到實時的聲源方向信息，具體公式為<formula>formula see original document page 5</formula>爿=上述公式中，9、 a分別為目標(biāo)聲源的方向信息經(jīng)度和緯度，A， A和* 分別為振動位移信號的三個序列，聲源的主頻率《，//13為振動位移序列A與X3的傅立葉變換在主頻率處的比值，//23為振動位移序列^與力的傅立葉變換在主頻率處的比值，其中w。二2;r/。， J'為虛數(shù)單位，忍為機械耦合振膜的質(zhì)量，c為振膜及聲傳輸媒質(zhì)的阻尼，先和A分別為振膜和機械耦合結(jié)構(gòu)的等效剛度，5"為 振膜的面積，這些力學(xué)參數(shù)均由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，cc為媒質(zhì)中的聲音傳 播速度，是一個已知常數(shù)，"為耦合振膜結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，代表任意單個振膜的 中心到整個機械耦合振膜結(jié)構(gòu)中心之間的距離，由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定。所述定位方法，其成立的充分條件為目標(biāo)聲源的頻率和結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)滿足/oS^或者rf^！，其中cc為媒質(zhì)中的聲音傳播速度，是一個已知常數(shù)，t/為耦合振膜結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，代表任意單個振膜的中心到整個機械耦合振膜結(jié)構(gòu)中 心之間的距離，由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，聲源的主頻率《。本發(fā)明建立了從振動序列提取出的特征量同聲源方向信息之間的關(guān)系，從而 得到了一種聲源三維定位方法，解決了三維空間中耦合結(jié)構(gòu)聲源定位的理論問 題。實驗表明，本發(fā)明在其適用的頻率范圍內(nèi)，定位誤差(聲源方向信息^和 a的計算值和實際值之間的差異)小于2° ，且在低頻部分的定位誤差將會更小 (遠小于2° )。


圖1是聲定位方法的幾何關(guān)系圖。 圖2是聲源方向角"的一組結(jié)果。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例的核心部分是提取振動信號中特征量得到聲源方向信 息的定位方法。振動位移信號的三個序列分別為A ， ^和A，利用自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)可以確定 聲源的主頻率/。，與聲源方向信息有關(guān)的特征量為//13， //23，其中//13為振動位移A與振動位移X3的傅立葉變換在主頻率處的比值，同理/^為振動位移X2與振動位移局的傅立葉變換在主頻率處的比值。 定義爿=.<formula>formula see original document page 7</formula>其中叫=2"/。； J'為虛數(shù)單位；頂為機械耦合振膜的質(zhì)量，C為振膜及聲傳輸媒質(zhì)的阻尼，A和A分別為振膜和機械耦合結(jié)構(gòu)的等效剛度，5"為振膜的面積， 這些力學(xué)參數(shù)均由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，對定位方法來說是已知量。 再定義<formula>formula see original document page 7</formula>其中cc為媒質(zhì)中的聲音傳播速度，是一個已知常數(shù)(例如在空氣中，室溫 下的聲速約為344m/s); V為振膜的尺寸參數(shù)，代表任意單個振膜的中心到整個 機械耦合振膜結(jié)構(gòu)中心之間的距離，由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，如圖l所示；J， "。，A A "3和"3的定義如前面部分所述?？傻?lt;formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中T/7^局，T/7^JT2的定義如公式(1)所示。由公式(2)即可得到聲源的方向信息經(jīng)度^和緯度".理論分析表明，該定位方法存在適用范圍，即其目標(biāo)聲源的頻率和結(jié)構(gòu)的尺 寸應(yīng)滿足(該條件為定位方法成立的充分條件)(3)式(3)表明了這一定位技術(shù)的實用范圍和基本的設(shè)計準(zhǔn)則，其中cc，"和/。的定義如前面部分所述。本實施例通過對聲源激勵作用下的力學(xué)模型進行仿真計算得到振動序列，通 過上述定位方法計算聲源的方向信息，同理論上預(yù)先任意設(shè)定的聲源方向信息作 比較。本實施例包括以下各步驟(1) 通過耦合振膜的力學(xué)仿真生成振動序列(即三個振膜聲源激勵下產(chǎn)生 振動，通過換能元件和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號序列)A， X2和A，預(yù) 設(shè)聲源入射角度"=45° ， ^=45° ，聲源頻率計算的范圍從0Hz到25kHz，本 實例中，定位方法成立的條件為/?！?0kHz;(2) 對序列進行處理得到主頻率/。，及//13， i/23;主頻率可以利用各振動信號義序列的自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)得到，例如設(shè)A序列 的自相關(guān)函數(shù)為&fW， A序列的采樣頻率為/s，自相關(guān)函數(shù)兩相臨峰值之間的 間隔為vV，則:主頻率//13 ， //23如前所述為序列A與X3的傅立葉變換在主頻率處的比值。(3) 通過公式(1)、 (2)計算得到^和"的值；通過公式(1) (2)可以解出sin^， sina以及cosa根據(jù)定位方法的幾何關(guān) 系，可以知道0e[O,;r/2]， ae
，所以可以根據(jù)解出的sinP， sin"以及cos"值得到^和a的計算值，然后同預(yù)先設(shè)定的"=45° ， ^45做比較。(4) 將計算值與理論值相比較，以"為例，比較結(jié)果如圖2所示。 對于入射角度^45。的結(jié)果表明在本實施例適用的區(qū)域里具有高的精度。對精度產(chǎn)生影響的因素主要是振膜及聲傳輸媒質(zhì)的阻尼，選擇振膜及聲傳輸媒質(zhì) 的等效阻尼分別為d=6. 4X 10—6Ns/m， c2=3. 2 X 10—6 Ns/m和c3=6. 4X 10—7 Ns/m， 可以看出阻尼的增加將導(dǎo)致結(jié)果誤差的增大，但阻尼對于主頻較低的聲入射信 號的影響將會很小，如圖2所示?？梢钥闯鲈摱ㄎ环椒ㄔ谄涠ㄎ环椒ǔ闪⒌膮^(qū)域具有較精確的定位能力，尤其 是在受阻尼影響較低的低頻部分，其定位的精度很高。而在定位方法不成立的頻率范圍里，則會產(chǎn)生錯誤，因此在使用本實施例時， 應(yīng)首先估計目標(biāo)聲源的頻率范圍是否位于該定位方法的許可范圍之內(nèi)。本實施例通過建立振動序列提取出的特征量同聲源方向信息之間的關(guān)系，而 得到的一種聲源三維定位方法，在定位方法成立的情況下能在三維空間內(nèi)得到很 高的聲定位精度。該定位方法在其適用的頻率范圍內(nèi)，定位誤差(聲源方向信息 ^和"的計算值和實際值之間的差異)小于2° ，且在低頻部分的定位誤差將 會更小(遠小于2。)。
權(quán)利要求
1.一種基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，采用具有相互機械耦合的三個振膜，在聲源激勵下產(chǎn)生振動響應(yīng)；第二步，通過換能元件及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將第一步得到的振動響應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；第三步，對第二步得到的數(shù)字信號進行分析處理，從而獲得與聲源方向信息有關(guān)的特征量；第四步，通過特征量與聲源方向信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系，采用定位方法計算得到實時的聲源方向信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，其特征 是，所述的聲源方向信息，是指聲源入射方向與定位裝置之間的幾何關(guān)系，也即 在由定位裝置確定的球坐標(biāo)系中的經(jīng)度^和緯度^。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，其特征 是，所述的聲源方向信息有關(guān)的特征量，是指對三個振動信號進行分析得到的 主頻率/。、振動位移《、局的傅立葉變換的比值//13和振動位移&、力的傅立葉變換的比值〃23，這些特征量與聲源方向信息相關(guān)，其中A， A和X3分別為振動位移信號的三個序列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，其特征 是，所述采用定位方法計算得到實時的聲源方向信息，具體公式為<formula>formula see original document page 2</formula>200810032225.X權(quán)利要求書第2/2頁^巾/"(fee, =~p--ln——-^-<formula>formula see original document page 3</formula>上述公式中，e、 a分別為目標(biāo)聲源的方向信息經(jīng)度和緯度，a， a和x3 分別為振動位移信號的三個序列，聲源的主頻率/。， //13為振動位移序列^與&的傅立葉變換在主頻率處的比值，//23為振動位移序列力與a的傅立葉變換在主頻率處的比值，其中叫-2;r/。， j'為虛數(shù)單位，孤為機械耦合振膜的質(zhì)量，c為振膜及聲傳輸媒質(zhì)的阻尼，A和A分別為振膜和機械耦合結(jié)構(gòu)的等效剛度，S為 振膜的面積，這些力學(xué)參數(shù)均由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，cc為媒質(zhì)中的聲音傳 播速度，是一個已知常數(shù)，"為耦合振膜結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，代表任意單個振膜的 中心到整個機械耦合振膜結(jié)構(gòu)中心之間的距離，由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，其特征 是，所述定位方法，其成立的充分條件為目標(biāo)聲源的頻率和結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)滿足/。S^或者t/S!，其中cc為媒質(zhì)中的聲音傳播速度，是一個已知常數(shù)，c/為<formula>formula see original document page 3</formula>耦合振膜結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，代表任意單個振膜的中心到整個機械耦合振膜結(jié)構(gòu)中 心之間的距離，由機械耦合振膜結(jié)構(gòu)確定，聲源的主頻率/。。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振動與聲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的聲基于機械耦合振膜的聲源三維定位方法，步驟為第一步，采用具有相互機械耦合的三個振膜，在聲源激勵下產(chǎn)生振動響應(yīng)；第二步，通過換能元件及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將第一步得到的振動響應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；第三步，對第二步得到的數(shù)字信號進行分析處理，從而獲得與聲源方向信息有關(guān)的特征量；第四步，通過特征量與聲源方向信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系，采用定位方法計算得到實時的聲源方向信息。本發(fā)明建立了從振動序列提取出的特征量同聲源方向信息之間的關(guān)系，從而得出到了一種聲源三維定位方法，解決了三維空間中耦合振膜結(jié)構(gòu)聲源定位的問題。
文檔編號G01S5/20GK101226235SQ20081003222
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月3日
發(fā)明者娜 塔, 王慶生, 饒柱石 申請人:上海交通大學(xué)