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時(shí)間:2022-05-20 來源:原創(chuàng) 人氣:5786
顯然,如果只有一只耳朵工作,肯定是無法判斷聲音來自何方了。
麥克風(fēng)陣列是指由兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)按照一定的幾何結(jié)構(gòu)排列而成的陣列。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同,麥克風(fēng)陣列可以分為均勻線性陣列、非均勻線性陣列、非線性陣列、環(huán)形陣列、平面陣列、立體陣列等。
陣列類型
線性陣列可以定位一個(gè)角度,即只能定位方位角,無法定位仰角。平面陣列可以定位方位角和仰角,實(shí)用性更強(qiáng),但也意味著更復(fù)雜的計(jì)算,無法進(jìn)行定距。立體陣列既可以定向也可以定距。
圓形坐標(biāo)定向示例(θ1---俯仰角,φ1---方位角)
目前線性陣列和平面陣列是常見的兩類陣列。線性陣列常見于會(huì)議拾音、教室吊麥等;平面陣列在智能音箱、聲學(xué)照相機(jī)等設(shè)備中更為常見。立體陣列見于反狙擊手系統(tǒng)。
桌面線性麥克風(fēng)陣列
鳴笛抓拍用麥克風(fēng)陣列(平面陣列)
反狙擊手系統(tǒng)
所謂聲源定位,就是利用一組按照一定幾何位置擺放的麥克風(fēng)定出聲源的空間位置。對(duì)于空間中位于不同位置的兩個(gè)麥克風(fēng)而言,聲源只要不位于它們之間的中線上,那么它們和聲源之間的距離就存在差異,如下圖所示??梢钥闯?,聲源與兩個(gè)麥克風(fēng)之間存在距離差△L=Cτ,因此,聲波到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)在時(shí)間上存在時(shí)延τ=△L/C。理想情況下,麥克風(fēng)i和j接收的信號(hào)滿足關(guān)系Si=Sj(t-τ)。
假設(shè)麥克風(fēng)的數(shù)量為M,第i個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)為,對(duì)進(jìn)行時(shí)延對(duì)齊后,累加可得
上式中,指的是當(dāng)陣列指向搜索點(diǎn)時(shí)的可控時(shí)延,與麥克風(fēng)的數(shù)量、陣列孔徑、聲源的入射角以及采樣頻率成正比,與聲音的傳播速度成反比。累加輸出的功率,即波束的功率為
是的頻域表示。聲源的位置可按照下式計(jì)算:
通過控制陣列方向來引導(dǎo)波束,使波束輸出功率大的點(diǎn)就是聲源的位置。
麥克風(fēng)陣列的性能指標(biāo)包括主瓣寬度(波束寬度)、旁瓣增益、陣列增益等。從定位的角度出發(fā),陣列增益是無關(guān)的性能指標(biāo),需要考慮主瓣寬度和旁瓣增益這兩個(gè)指標(biāo)。
波束圖示例
通常情況下,在麥克風(fēng)數(shù)量相同的情況下,麥克風(fēng)分布形式越規(guī)則,主瓣寬度和旁瓣增益會(huì)越大。下面給出了兩個(gè)麥克風(fēng)陣列構(gòu)型,都由32個(gè)麥克風(fēng)構(gòu)成,從對(duì)應(yīng)波束圖中可以明顯看到這一規(guī)律。因此,在設(shè)計(jì)麥克風(fēng)陣列時(shí),應(yīng)該盡可能地設(shè)計(jì)優(yōu)化構(gòu)型,而不是選擇均勻的規(guī)則構(gòu)型。
規(guī)則型陣列及其波束圖
非規(guī)則型陣列及其波束圖
目前,得到廣泛應(yīng)用的聲學(xué)定位技術(shù)莫過于交通領(lǐng)域中的鳴笛抓拍系統(tǒng)了,實(shí)際上這也是聲學(xué)照相機(jī)的一個(gè)具體應(yīng)用。縱觀市場(chǎng)上已有的鳴笛抓拍系統(tǒng),基本都是由一個(gè)平面麥克風(fēng)陣列、一個(gè)電警(卡口)相機(jī)和主機(jī)組成,麥克風(fēng)陣列用于鳴笛聲音定位、相機(jī)用于識(shí)別鳴笛車輛車牌并抓拍圖片生成證據(jù)。
系統(tǒng)的整個(gè)抓拍流程如下圖所示。在前端,系統(tǒng)捕獲到機(jī)動(dòng)車鳴笛聲音,啟動(dòng)定位分析軟件進(jìn)行定位,如果定位結(jié)果位于抓拍視野范圍內(nèi),則啟動(dòng)高清相機(jī)進(jìn)行抓拍;根據(jù)定位坐標(biāo),進(jìn)行相關(guān)車輛的車牌識(shí)別,如果能夠識(shí)別出符合要求的車牌,則將車牌推送到LED屏顯示,同時(shí)生成完整證據(jù)鏈,包括車牌圖片及識(shí)別結(jié)果、車輛特寫、車輛全景、鳴笛云圖、鳴笛聲紋圖和鳴笛過程的音視頻(疊加云圖),并將其推送到后臺(tái)。
鳴笛抓拍工作流程
系統(tǒng)計(jì)算監(jiān)測(cè)路面有效探測(cè)區(qū)域的聲音大小分布,用顏色表示聲音相對(duì)大小生成聲音分布圖,聲音分布與高清圖片疊加形成聲音云圖,對(duì)鳴笛聲連續(xù)采集分析,持續(xù)生成聲音云圖,聲音云圖疊加到視頻上連續(xù)播放生成“聲音視頻”;同時(shí),自動(dòng)生成4張圖片(違法時(shí)刻車輛全景圖、全景云圖、車輛特寫圖和車牌特寫與鳴笛頻譜圖)和音視頻證據(jù),其證據(jù)支持添加水印信息、防偽信息。證據(jù)信息如下圖所示。
A1:不會(huì)。首先在算法上進(jìn)行處理,如果兩車距離特別近,后車鳴笛聲音會(huì)被前車遮擋,到達(dá)聲吶陣列已經(jīng)不是直達(dá)波,可以在定位算法上排除這種定位結(jié)果,不予定位抓拍;其次,通過對(duì)抓拍圖像的結(jié)構(gòu)化處理,設(shè)計(jì)合適的定位光斑與車輛方框的“容納”算法,可準(zhǔn)確判斷鳴笛光斑所在車輛位置。
A2:不會(huì)。對(duì)抓拍圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理,可以準(zhǔn)確區(qū)分出電動(dòng)車/摩托車、機(jī)動(dòng)車、自行車等,根據(jù)定位光斑的位置,可以準(zhǔn)確判斷出鳴笛來自于電動(dòng)車/摩托車。
A3:如果多臺(tái)車在同一時(shí)刻按下喇叭,又在同一時(shí)刻松開喇叭,那么這段時(shí)間只會(huì)定位一臺(tái)鳴笛車輛;如果兩臺(tái)車的按喇叭時(shí)刻前后相差數(shù)十毫秒以上,系統(tǒng)可以定位到兩臺(tái)車輛。
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