區(qū)分聲音的系統(tǒng)和方法及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)電話的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的系統(tǒng)和方法以及采用該系統(tǒng)和方法的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)電話機(jī)。目標(biāo)物體及其背景組成聲源。其包括：聲源定位部件，包括至少一個(gè)麥克風(fēng)和處理部件；和目標(biāo)方向參考確定部件，用于將關(guān)于聲源定位部件相對(duì)于目標(biāo)物體的方向的信息確定為目標(biāo)方向參考；其中：處理部件用于通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從聲源到達(dá)聲源定位部件的方向的信息，并且將其與目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音。通過采用聲音區(qū)分系統(tǒng)，其可以抽取來自特定設(shè)備的位置的背景噪聲并且僅分析來自目標(biāo)物體的那些信號(hào)。
【專利說明】區(qū)分聲音的系統(tǒng)和方法及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)電話機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于區(qū)分來自于目標(biāo)物體和其背景的聲音的系統(tǒng)和方法，及采用該系 統(tǒng)和方法的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)電話機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 聲學(xué)分析常用于語音識(shí)別，卻很少作為環(huán)境監(jiān)控技術(shù)用于工業(yè)。聲學(xué)監(jiān)控的質(zhì)量 很大程度上依賴于機(jī)器工作環(huán)境的背景噪聲。聲源定位可以減輕背景噪聲的影響。聲像儀 可用于聲源定位。
[0003] 環(huán)境監(jiān)控工具的一個(gè)重要的方面是聲音分析。當(dāng)機(jī)器和工廠設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可 通過檢測(cè)其發(fā)出的噪聲的變化來檢測(cè)故障。其中，聲像儀使得聲音的獲得自動(dòng)化并且更加 客觀?，F(xiàn)有的聲像儀可用于視覺化聲音及其聲源。類似于熱像圖的方式生成聲源圖。根據(jù) 不同的標(biāo)注，可以快速定位和分析噪聲源。聲像儀包括諸如視頻相機(jī)一樣的視頻設(shè)備和多 個(gè)諸如麥克風(fēng)一樣的聲壓測(cè)量設(shè)備，其中聲壓通常以帕斯卡（Pa)來測(cè)量。麥克風(fēng)通常相對(duì) 于聲像儀以預(yù)定的形狀和位置排列。
[0004] 聲像儀可用于噪聲/聲源的識(shí)別、量化以及通過陣列處理由麥克風(fēng)陣列拾取的多 維聲學(xué)信號(hào)生成聲學(xué)環(huán)境的圖像并且將該聲學(xué)圖像匹配到視頻圖像。集成麥克風(fēng)陣列和數(shù) 字視頻相機(jī)的設(shè)備提供聲學(xué)環(huán)境的視覺信息。作為測(cè)試設(shè)備的聲學(xué)相機(jī)的可能應(yīng)用包括在 諸如車輛、火車和飛機(jī)內(nèi)外等一樣的環(huán)境中或在風(fēng)洞中對(duì)于噪聲/聲源非破壞性的測(cè)量。 聲像儀也可內(nèi)置在諸如水下無人交通工具、機(jī)器人和機(jī)器人平臺(tái)一樣的復(fù)雜平臺(tái)中。當(dāng)使 用包括多個(gè)麥克風(fēng)的麥克風(fēng)陣列時(shí)，其可導(dǎo)致涉及聲像儀的相對(duì)高的復(fù)雜度、相對(duì)大的體 積和較高的成本。
[0005] 在一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，多個(gè)麥克風(fēng)在測(cè)量之間隨諸如電動(dòng)機(jī)一樣的驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)。 通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)來完成麥克風(fēng)的運(yùn)動(dòng)捕捉，例如檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度或初始位置。驅(qū) 動(dòng)器的機(jī)械特性限制了麥克風(fēng)的運(yùn)動(dòng)，換而言之，麥克風(fēng)不能隨意移動(dòng)并且由于上述限制 無法跟隨一定的路徑。此外，在一些情況下，位置的精確度受到采樣或掃描區(qū)域的限制。當(dāng) 用電動(dòng)機(jī)移動(dòng)麥克風(fēng)時(shí)，涉及麥克風(fēng)的位置精確度的問題變得嚴(yán)重。例如，上述問題可歸因 于電動(dòng)機(jī)的公差或其構(gòu)造震動(dòng)。此外，難以達(dá)到以電動(dòng)機(jī)來移動(dòng)麥克風(fēng)而在固定連接處無 反作用力的構(gòu)造配置。
[0006] 此外，在工廠的噪聲環(huán)境中，例如有多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，諸如聲學(xué)攝影機(jī)一樣的聲 學(xué)分析系統(tǒng)將分析來自目標(biāo)物體及其背景（環(huán)境）的聲音頻率，但是傳統(tǒng)的聲學(xué)分析系統(tǒng) 無法自動(dòng)地區(qū)分來自目標(biāo)物體的聲音和來自其背景的聲音。因此，無法消除來自其背景的 聲音對(duì)于來自目標(biāo)物體的聲音的影響。特別對(duì)于用于監(jiān)控目標(biāo)物體（例如電動(dòng)機(jī)）的正常 狀態(tài)/故障狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)來說，其采用聲學(xué)分析系統(tǒng)，它搜索高幅值的噪聲信號(hào)或 者特定噪聲頻率或模式并且定位噪聲聲源。然而，在特定故障信號(hào)弱于背景噪聲并且所搜 索的頻率或模式未知情況下，則無法進(jìn)行聲學(xué)分析。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的系統(tǒng)， 所述目標(biāo)物體及其背景組成聲源，包括：聲源定位部件，包括至少一個(gè)麥克風(fēng)和處理部件； 和目標(biāo)方向參考確定部件，用于將關(guān)于所述聲源定位部件相對(duì)于所述目標(biāo)物體的方向的信 息確定為目標(biāo)方向參考；其中：所述處理部件用于通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從所 述聲源到達(dá)所述聲源定位部件的方向的信息，并且將其與所述目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分 來自目標(biāo)物體及其背景的聲音。通過采用聲音區(qū)分系統(tǒng)，其可以抽取來自特定設(shè)備的位置 的背景噪聲并且僅分析來自目標(biāo)物體的那些信號(hào)。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，包括上述區(qū)分來自目標(biāo)物體 及其背景的聲音的系統(tǒng)，其中：所述處理部分還用于基于所述區(qū)分后的聲音的頻率判斷所 述目標(biāo)物體的狀態(tài)。通過采用狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，所抽取的信號(hào)自動(dòng)地用于故障檢測(cè)。該狀態(tài) 監(jiān)控系統(tǒng)還可以包括報(bào)警裝置，例如擴(kuò)音器，以便提醒用于人工故障分析。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種移動(dòng)電話機(jī)，包括上述區(qū)分來自目標(biāo)物體及 其背景的聲音的系統(tǒng)最為其功能的擴(kuò)展。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的方法， 所述目標(biāo)物體及其背景組成聲源，包括：將關(guān)于所述聲源定位部件相對(duì)于所述目標(biāo)物體的 方向的信息確定為目標(biāo)方向參考；通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從所述聲源到達(dá)所述 聲源定位部件的方向的信息；以及將其與所述目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分來自目標(biāo)物體及 其背景的聲音。通過采用聲音區(qū)分方法，其可以抽取來自特定設(shè)備的位置的背景噪聲并且 僅分析來自目標(biāo)物體的那些信號(hào)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種采用上述區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音 的方法的狀態(tài)監(jiān)控方法，包括：基于所述區(qū)分后的聲音的頻率判斷所述目標(biāo)物體的狀態(tài)。通 過采用狀態(tài)監(jiān)控方法，所抽取的信號(hào)自動(dòng)地用于故障檢測(cè)。該狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還可以包括報(bào) 警裝置，例如擴(kuò)音器，以便提醒用于人工故障分析。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖；
[0013] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可移動(dòng)部件的任意移動(dòng)路徑；
[0014] 圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖；
[0015] 圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖；
[0016] 圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖；
[0017] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可移動(dòng)部件的典型的移動(dòng)路徑；
[0018] 圖5示出麥克風(fēng)所提供的麥克風(fēng)信號(hào)的多普勒效應(yīng)頻移的頻譜圖；
[0019] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的2維聲源定位；
[0020] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的3維聲源定位；
[0021] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的麥克風(fēng)典型的方向敏感性；
[0022] 圖9示出根據(jù)圖8的實(shí)施例的聲源位置的確定；
[0023] 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的聲源定位方法的流程圖；
[0024] 圖11示出通過使用根據(jù)圖3C的聲源定位系統(tǒng)的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲 音的系統(tǒng)的方框圖；
[0025] 圖12示出由目標(biāo)方向參考所指示的方向；
[0026] 圖13A和13B分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在濾除之前和之后聲譜；
[0027] 圖14A和14B分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在標(biāo)記目標(biāo)物體輪廓之前和之后由攝 像機(jī)捕獲并且在人機(jī)界面上再現(xiàn)的圖像；
[0028] 圖15A和15B示出兩種電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的聲譜的例子；和
[0029] 圖16示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的方法的流 程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖。根據(jù)圖1的系統(tǒng)用附 圖標(biāo)記1表示。如圖1所示，系統(tǒng)1包括可移動(dòng)部件10、運(yùn)動(dòng)捕捉部件11和處理部件12。 可移動(dòng)部件10可與麥克風(fēng)集成100集成?？梢苿?dòng)部件10可相對(duì)于聲源以任意的路徑自由 移動(dòng)，例如線性移動(dòng)、圓周移動(dòng)、向前移動(dòng)或向后移動(dòng)等。運(yùn)動(dòng)捕捉部件11用于捕捉可移動(dòng) 部件10的移動(dòng)。這允許對(duì)于可移動(dòng)部件的移動(dòng)路徑的選擇的靈活性。圖2示出根據(jù)本發(fā) 明的一個(gè)實(shí)施例的可移動(dòng)部件的任意移動(dòng)路徑。麥克風(fēng)100用于拾取從聲源發(fā)出并且到達(dá) 麥克風(fēng)100的聲波，并且由此產(chǎn)生表示所拾取的聲波的分量值的麥克風(fēng)信號(hào)。運(yùn)動(dòng)捕捉部 件11用于捕捉可移動(dòng)部件10以及與其集成檢測(cè)聲波的麥克風(fēng)100的移動(dòng)，并且由此產(chǎn)生 表示可移動(dòng)部件10和與其集成的麥克風(fēng)100的位置和速度的運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)?？梢苿?dòng) 部件10的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)可由X，y，Z方向表示。處理部件12用于接收來自可移動(dòng)部件10的 麥克風(fēng)100的麥克風(fēng)信號(hào)和來自運(yùn)動(dòng)捕捉部件11的運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)并且基于在可移動(dòng) 部件10的移動(dòng)中獲得的麥克風(fēng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)獲得來自聲源的聲音的方向。
[0031] 下面，簡(jiǎn)要說明系統(tǒng)1的功能。處理部件12能夠計(jì)算從初始位置可移動(dòng)部件10 和麥克風(fēng)100 -同移動(dòng)中所接收的或記錄的或采樣的麥克風(fēng)信號(hào)。因此，麥克風(fēng)信號(hào)包括 多普勒效應(yīng)頻移。通過從由同一個(gè)麥克風(fēng)在其移動(dòng)中拾取的信號(hào)中確定的多普勒效應(yīng)頻移 結(jié)合位置信號(hào)，可以計(jì)算可移動(dòng)部件相對(duì)于聲源的方向，并且結(jié)合位置信號(hào)可以進(jìn)一步得 到聲源的位置。這提供了具有較低成本和較小體積大的簡(jiǎn)單的聲源定位系統(tǒng)。此外，因?yàn)?將麥克風(fēng)與可跟隨任意路徑的可移動(dòng)部件集成，可在收到較少限制的條件下選取拾取聲波 的位置。此外，可移動(dòng)部件并非由具有公差、震動(dòng)或在固定連接處產(chǎn)生反作用力的驅(qū)動(dòng)器驅(qū) 動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)的精度可以提高。此外，運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)可以反映麥克風(fēng)的移 動(dòng)，因此麥克風(fēng)的位置和速度的精確度得以提高。
[0032] 圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖。根據(jù)圖3A所示，在 本實(shí)施例中，可以將運(yùn)動(dòng)捕捉部件11和可移動(dòng)部件10集成，因此運(yùn)動(dòng)捕捉部件11和可移 動(dòng)部件10可以一同移動(dòng)。例如，運(yùn)動(dòng)捕捉部件11可以是包括陀螺儀的慣性測(cè)量單元MU， 并且其可以與可移動(dòng)部件10和麥克風(fēng)100集成。因此，可移動(dòng)部件10可以同步測(cè)量聲學(xué) 信號(hào)、至少一個(gè)方向加速度信號(hào)和至少一個(gè)方向陀螺儀信號(hào)的組合。通過采用上述配置，系 統(tǒng)1更加緊湊。圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲源定位系統(tǒng)的框圖。在根據(jù)圖3B 的實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)捕捉部件11可以是與可移動(dòng)部件10分離的視覺捕捉系統(tǒng)，其通過模式識(shí) 別技術(shù)產(chǎn)生關(guān)于可移動(dòng)部件10的速度和位置信息。圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的 聲源定位系統(tǒng)的框圖。處理部件12可以和可移動(dòng)部件10集成。當(dāng)然，處理部件12可以與 可移動(dòng)部件10分離并且用個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述實(shí)施例的系統(tǒng)還可以包括用于顯示 聲源的位置的屏幕，其反映聲源地圖；例如，在掃描區(qū)域的圖像上反映聲源位置。該屏幕可 以與可移動(dòng)部件集成或者是個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕。
[0033] 在一些實(shí)施例中，處理部件12可以用于基于在可移動(dòng)部件10和麥克風(fēng)100移動(dòng) 中麥克風(fēng)信號(hào)的聲音電平和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)提供關(guān)于方向的信息。例如，處理部件12可 以計(jì)算當(dāng)可移動(dòng)部件10相對(duì)于初始位置移動(dòng)時(shí)麥克風(fēng)信號(hào)相對(duì)于最大和/或最小幅值的 聲音電平，并且進(jìn)一步基于麥克風(fēng)信號(hào)的聲音電平和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)提供方向信息?？?之，可以從麥克風(fēng)信號(hào)提取不同的信息。例如，通過使用多普勒效應(yīng)頻移可以計(jì)算多普勒效 應(yīng)對(duì)于麥克風(fēng)信號(hào)的影響。也可以采用麥克風(fēng)信號(hào)的幅值來提高確定方向的準(zhǔn)確度。當(dāng)然， 麥克風(fēng)信號(hào)也可以包括上述信息的組合。
[0034] 在一些實(shí)施例中，可由移動(dòng)電話機(jī)來完成上述測(cè)量。
[0035] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可移動(dòng)部件的典型的移動(dòng)路徑。如圖4所示， 可移動(dòng)部件10位于初始位置30,記錄聲學(xué)信號(hào)并且麥克風(fēng)不移動(dòng)。該平穩(wěn)信號(hào)作為后續(xù)分 析的參考值（假設(shè)聲源產(chǎn)生平穩(wěn)信號(hào)）。方向的確定基于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析。此外，為 了獲得該非平穩(wěn)信號(hào)，需要在移動(dòng)麥克風(fēng)時(shí)記錄聲學(xué)信號(hào)。如圖4所示，該移動(dòng)可以在三個(gè) 方向：相對(duì)于目標(biāo)向前-向后、向上-向下和向左-向右，或者上述三種方向的組合，當(dāng)然其 需要在目標(biāo)的前方。例如如圖4所示，可移動(dòng)部件10可以以向前-向后的方向移動(dòng)到位置 31，可以以向左-向右的方向移動(dòng)到位置32,可以以向上-向下的方向移動(dòng)到位置33,或者 沿上述三個(gè)方向的組合移動(dòng)到其他的位置。因此，可移動(dòng)部件10和麥克風(fēng)100相對(duì)于聲 源的距離由于初始位置30到位置31、32、33的不同而不同。麥克風(fēng)與聲源的距離越近，測(cè) 量的分辨率越高。
[0036] 圖5示出麥克風(fēng)所提供的麥克風(fēng)信號(hào)的多普勒效應(yīng)頻移的頻譜圖。例如，聲源包 括主頻率5kHz。在初始位置30,多普勒效應(yīng)頻移為最小和/或可忽略。記錄第一信號(hào)40， 其表示麥克風(fēng)100沒有移動(dòng)。當(dāng)麥克風(fēng)100和可移動(dòng)部件10遠(yuǎn)離聲源時(shí)記錄第二信號(hào)41， 此外當(dāng)麥克風(fēng)100和可移動(dòng)部件10接近聲源時(shí)，記錄第三信號(hào)42。就5kHz頻率峰值而言， 第一信號(hào)40相對(duì)比較尖銳，這表示在其全部測(cè)量周期頻率保持恒定。第二信號(hào)41不再尖 銳并且向低頻移動(dòng)而第三信號(hào)42向高頻移動(dòng)。上述可視效果為多普勒效應(yīng)。根據(jù)圖5可 以看出，用同一個(gè)麥克風(fēng)可以測(cè)量多普勒效應(yīng)頻移。
[0037]當(dāng)用移動(dòng)的麥克風(fēng)做聲學(xué)測(cè)量時(shí)，需要同時(shí)測(cè)量至少一個(gè)方向的加速度信號(hào)和陀 螺儀信號(hào)。例如，需要同時(shí)測(cè)量至少三個(gè)方向的加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)。移動(dòng)電話機(jī)內(nèi) 置了上述檢測(cè)元件，其可測(cè)量移動(dòng)電話機(jī)的速度和移動(dòng)路徑?？商娲?，可以用視覺標(biāo)記獲 得麥克風(fēng)移動(dòng)路徑和速度。
[0038] 下文描述確定從聲源發(fā)出并且到達(dá)麥克風(fēng)的聲波方向的步驟。這里，假設(shè)聲源的 頻率已知5kHz。例如，相對(duì)于麥克風(fēng)而言的聲源方向可以基于一速度的方向偏移麥克風(fēng)和 可移動(dòng)部件的速度方向的角度來確定。該方法適用于2維和3維的聲源定位。例如，如果 可移動(dòng)部件的速度已知，聲源方向可以由一未知的角度描述，這導(dǎo)致需要確定該未知角度 并且在下文結(jié)合例子描述。
[0039] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的2維聲源定位?；谄椒€(wěn)測(cè)量，選擇目標(biāo)頻 率。例如，目標(biāo)頻率為5kHz。選擇在2維路徑移動(dòng)中的時(shí)刻，此時(shí)麥克風(fēng)和可移動(dòng)部件的 速度應(yīng)當(dāng)是恒定的。例如，所選速度表示為V。相對(duì)于5kHz聲學(xué)信號(hào)的頻移，選擇速度為V 的時(shí)刻。
[0040] 多普勒效應(yīng)公式描述移動(dòng)聲源或移動(dòng)觀察者的速度和由觀察者所記錄的聲學(xué)信 號(hào)的頻移之間的關(guān)系。在本發(fā)明的實(shí)施例中，僅觀察者移動(dòng)。在這種情況下，多普勒效應(yīng)公 式為：
[0041] r=/〇 (IilS) (1)
[0042] 其中，fs表示多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的頻移，f。表示聲源頻率的實(shí)際值，V表示聲音速度， 其可認(rèn)為是340m/s，V。是觀察者的速度，在本發(fā)明的實(shí)施例中是麥克風(fēng)的速度。V。依賴于 麥克風(fēng)相對(duì)于聲源的速度。
[0043] 為了定位聲源C，需要確定在目標(biāo)C和位于初始位置的麥克風(fēng)B之間的距離ICBI。 在該例子中，麥克風(fēng)和可移動(dòng)部件在B的速度等于V，并且可以注意到麥克風(fēng)正向D點(diǎn)移動(dòng)， 該移動(dòng)偏離聲源方向α角度。通過將等式（1)變換為：v。出現(xiàn)在等式的左側(cè)并且假設(shè)麥克 風(fēng)接近聲源，等到如下等式： /fc
[0044] P0 =r：I--^l(2)
[0045] 如果f。是被檢測(cè)頻率并且f。是各個(gè)f。的實(shí)際頻移，那么V。是麥克風(fēng)相對(duì)于聲源 C的速度。因此，我們得到
[0046] Vy =V0(3)
[0047] 在圖6中，該速度分量標(biāo)記為Vy。角度α的余弦可以表示為：
[0048] cosf α) =ψ(4)
[0049] 將等式（3)代入⑷中并且采用前面得到的速度V，可以計(jì)算角度α。如圖6所 示，當(dāng)知道角度α的值，可以確定聲源位于C點(diǎn)或A點(diǎn)。
[0050] 因此，根據(jù)上述實(shí)施例可以得到在2維空間中聲源的方向?yàn)檠厝切蜝AC中的兩 條邊BA和BC中的一條?；谏鲜鼋Y(jié)論，可以確定聲源的方向?？傊?，處理部件12用于計(jì) 算關(guān)于可移動(dòng)部件從初始位置的第一方向移動(dòng)的第一麥克風(fēng)信號(hào)的第一多普勒效應(yīng)頻移， 并且處理部件12用于基于第一麥克風(fēng)信號(hào)的第一多普勒效應(yīng)頻移和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)提 供關(guān)于聲源方向的信息。
[0051] 為了提高確定聲源方向的精度，可以以不同的速度V重復(fù)上述步驟至少一次。通 過該重復(fù)，可以得到另一個(gè)三角形B'A'C'，其至少一條邊與三角形BAC中的兩條邊BA和 BC之一重合。因此，基于所得到的兩個(gè)三角形BAC和B'A'C'的組合，可確定聲源的方向來 自BC和B'C'的交匯點(diǎn)。總之，處理部件還用于計(jì)算關(guān)于可移動(dòng)部件從初始位置的第二方 向移動(dòng)的第二麥克風(fēng)信號(hào)的第二多普勒效應(yīng)頻移。并且，處理部件用于基于所述第一和第 二麥克風(fēng)信號(hào)的第一和第二多普勒效應(yīng)頻移和關(guān)于第一和第二方向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)捕捉部件 信號(hào)來提供關(guān)于聲源方向的信息。
[0052] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的3維聲源定位。3維平面P可以以如下方式 生成：其垂直于初始位置B并且其中心位于C點(diǎn)，其中C點(diǎn)是目標(biāo)也即本發(fā)明實(shí)施例中的聲 源。在3維環(huán)境中定位聲源，所計(jì)算的α角可產(chǎn)生頂點(diǎn)在B點(diǎn)的圓椎體。圓錐體和平面P 共同的部分產(chǎn)生橢圓形，如圖7所示。當(dāng)重復(fù)上述計(jì)算三次，將計(jì)算出三個(gè)不同的圓錐體并 且可得到三個(gè)不同的橢圓形。橢圓形的公共點(diǎn)為聲源C，也即目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)用目標(biāo)聲源的真實(shí) 照片替代平面P，可得到圖7所示的聲源定位視覺效果。因此，可在3維環(huán)境中確定聲源的 方向?？傊?，處理部件用于計(jì)算關(guān)于可移動(dòng)部件分別從初始位置以第一、二和三方向移動(dòng)的 第一、二和三麥克風(fēng)信號(hào)的第一、二和三多普勒效應(yīng)頻移。并且，處理部件用于基于所述第 一、第二和第三麥克風(fēng)信號(hào)的第一、第二和第三多普勒效應(yīng)頻移和關(guān)于第一、第二和第三方 向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)來提供關(guān)于聲源方向的信息。
[0053] 可替換地，可以從所記錄的聲音信號(hào)中計(jì)算聲音幅值來確定聲源位置。麥克風(fēng)對(duì) 聲音的敏感度根據(jù)聲源方向的不同而不同，并且圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的麥克風(fēng)典型 的方向敏感性。軌跡802表示麥克風(fēng)100對(duì)于來自不同角度的聲音的敏感型。在箭頭801 所表示的方向上，麥克風(fēng)100將達(dá)到其最大的敏感性并且由此輸出最高的電平。通過旋轉(zhuǎn) 可移動(dòng)部件10并且由此麥克風(fēng)100到達(dá)最大和/或最小輸出電平，此時(shí)麥克風(fēng)將朝向聲源 的方向并由此可確定聲源的方向。其他聲音幅值，例如最小聲音電平，也可用于檢測(cè)方向。 該電平和方向需要可清楚地確定。所示敏感性是麥克風(fēng)的典型敏感性并且將根據(jù)麥克風(fēng)的 實(shí)施例及其環(huán)境改變。但是，僅在特定方向可獲得最大敏感性并且可用于聲源方向的確定。
[0054] 圖9示出根據(jù)圖8的實(shí)施例的聲源位置的確定。在已知位置A，麥克風(fēng)以其最大 和/或最小幅值的方向Xl旋轉(zhuǎn)由此朝向聲源B的位置。在第二已知位置C，其不在位置A 與聲源B的直線上，麥克風(fēng)再次以其最大和/或最小幅值的方向旋轉(zhuǎn)并且將給出聲源位置 B的第二方向X2的測(cè)量。兩個(gè)方向直線Xl和X2的交點(diǎn)給出聲源的位置。位置捕捉部件 11確定位置A和C。位置捕捉可采用上述的方法或者任何確定位置A和C的方法。可替換 地，位置捕捉部件也可以包括空間中執(zhí)行測(cè)量的兩個(gè)標(biāo)記的位置。
[0055] 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的聲源定位方法的流程圖。方法1000包括，步驟 1010,從與麥克風(fēng)和移動(dòng)捕捉部件集成的可移動(dòng)部件獲得可移動(dòng)部件自由移動(dòng)中的麥克風(fēng) 信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)?；谝阎穆曇粜盘?hào)的頻率，其確定采樣麥克風(fēng)信號(hào)的采樣頻 率。例如，來自麥克風(fēng)100的麥克風(fēng)信號(hào)的采樣值存在，其以目標(biāo)聲音頻率的至少兩倍的采 樣頻率采樣并且產(chǎn)生采樣信號(hào)。
[0056] 方法1000還包括，在步驟1020,基于運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)確定可移動(dòng)部件和麥克風(fēng) 的速度和初始位置，并且計(jì)算關(guān)于可移動(dòng)部件從初始位置以一方向移動(dòng)的麥克風(fēng)信號(hào)的多 普勒效應(yīng)頻移。
[0057] 方法1000還包括，步驟1030,基于麥克風(fēng)信號(hào)的多普勒效應(yīng)頻移和運(yùn)動(dòng)捕捉部件 信號(hào)提供麥克風(fēng)相對(duì)于聲源方向的信息。例如，在麥克風(fēng)信號(hào)中的多普勒效應(yīng)頻移依賴于 麥克風(fēng)相對(duì)于聲源的速度。多普勒效應(yīng)頻移的偏移表不可移動(dòng)部件相對(duì)于聲源的移動(dòng)速度 的大小。例如，可根據(jù)圖6和7所描述的方法來計(jì)算聲源的方向。
[0058] 可替換地，方法1000還包括，步驟1010,計(jì)算當(dāng)可移動(dòng)部件相對(duì)于初始位置移動(dòng) 時(shí)所述麥克風(fēng)信號(hào)相對(duì)于最大和/或最小幅值的聲音電平，并且在步驟1030,基于麥克風(fēng) 信號(hào)的聲音電平和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)提供關(guān)于所述方向的信息。
[0059] 對(duì)于確定聲源方向不同的精確度的要求，該方法可以執(zhí)行至少一次，例如對(duì)如下 循環(huán)執(zhí)行：計(jì)算關(guān)于可移動(dòng)部件分別從初始位置以第一、二和三方向移動(dòng)的第一、二和三麥 克風(fēng)信號(hào)的第一、二和三多普勒效應(yīng)頻移，以及分別對(duì)于可移動(dòng)部件的第一、第二和第三方 向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)?？商鎿Q地，該方法可以考慮可移動(dòng)部件相對(duì)于初始位置移動(dòng) 時(shí)所述麥克風(fēng)信號(hào)相對(duì)于最大和/或最小幅值的聲音電平以及對(duì)于可移動(dòng)部件的移動(dòng)方 向的運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)。
[0060] 圖11示出通過使用根據(jù)圖3C的聲源定位系統(tǒng)的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲 音的系統(tǒng)的方框圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解聲源定位系統(tǒng)可以采用根據(jù)圖1至10所 描述的系統(tǒng)或者采用全息術(shù)（holography)或波束成形（beamforming)技術(shù)包括多個(gè)麥克 風(fēng)的靜態(tài)單元。例如，在兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)布置在分離位置的條件下，該靜態(tài)單元可以確 定聲源的方向。由于從聲源到不同的麥克風(fēng)的傳播路徑不同，聲音的到達(dá)存在延時(shí)。該延 時(shí)導(dǎo)致由不同的麥克風(fēng)所確定的信號(hào)的相移并且通過計(jì)算該相移，可確定聲音的方向。如 圖11所示，聲源包括目標(biāo)物體及其背景。聲音區(qū)分系統(tǒng)11包括具有麥克風(fēng)100的聲源定 位部件1和目標(biāo)方向參考確定部件13。目標(biāo)方向參考確定部件13用于將關(guān)于聲源定位部 件1相對(duì)于目標(biāo)物體的方向的信息確定為目標(biāo)方向參考。
[0061] 圖12示出由目標(biāo)方向參考所指示的方向。如圖12所示，目標(biāo)方向參考指示箭頭 所示的多個(gè)方向，其中聲音可以從目標(biāo)物體15的不同的輪廓14點(diǎn)到達(dá)聲源定位部件1，例 如，方向12a從目標(biāo)物體15的上部輪廓14開始，方向12b從目標(biāo)物體15的下部輪廓14開 始，方向12c從目標(biāo)物體15的左部輪廓14開始，方向12d從目標(biāo)物體15的右部輪廓14開 始，等等?；谀繕?biāo)方向參考信息，聲源定位部件1的處理部件12可相對(duì)于其自身位置定 位目標(biāo)物體?？紤]其輪廓14上的點(diǎn)越多，則對(duì)于目標(biāo)物體的定位越精確?？商娲?，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可采用其他的用于確定目標(biāo)方向參考的技術(shù)，例如從目標(biāo)物體的輪 廓14內(nèi)選擇點(diǎn)來確定由此開始的方向。
[0062] 回到圖11，聲源定位部件1的處理部件12可通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從 聲源到達(dá)聲源定位部件1的方向的信息，這已經(jīng)在圖1至10的具體實(shí)施例中描述。為了避 免重復(fù)，在此省略詳細(xì)的描述。處理部件12可將該信息與目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分來自 目標(biāo)物體及其背景的聲音。例如，處理部件12可判斷聲音從聲源到達(dá)聲源定位部件1的方 向是否落入目標(biāo)方向參考的范圍內(nèi)以便濾除來自所述聲源的背景的聲音，即在濾除后留下 的聲音主要包括來自目標(biāo)物體的聲音。聲音的方向可以以垂直平面內(nèi)的角α和水平平面 內(nèi)的角β來描述（見圖12)。為了區(qū)分來自目標(biāo)物體和其背景的聲音，需比較聲音方向的 角度和參考方向的角度。如果目標(biāo)物體的聲音獲得方向角度和p，則需要執(zhí)行如下角度的 比較：

【權(quán)利要求】
1. 一種區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的系統(tǒng)，所述目標(biāo)物體及其背景組成聲源， 包括： 聲源定位部件，包括至少一個(gè)麥克風(fēng)和處理部件；和 目標(biāo)方向參考確定部件，用于將關(guān)于所述聲源定位部件相對(duì)于所述目標(biāo)物體的方向的 信息確定為目標(biāo)方向參考； 其中： 所述處理部件用于通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從所述聲源到達(dá)所述聲源定位 部件的方向的信息，并且將其與所述目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的 聲音。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中： 所述處理部件還用于判斷聲音從所述聲源到達(dá)所述聲源定位部件的方向是否落入所 述目標(biāo)方向參考的范圍內(nèi)以便濾除來自所述聲源的背景的聲音。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中： 所述聲源定位系統(tǒng)，包括： 可移動(dòng)部件，其可自由移動(dòng)并且與麥克風(fēng)集成；和 運(yùn)動(dòng)捕捉部件，用于捕捉所述可移動(dòng)部件的移動(dòng)； 其中： 所述處理部件還用于接收所述麥克風(fēng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)并且基于在可移動(dòng)部 件的移動(dòng)中獲得的所述麥克風(fēng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)獲得來自聲源的聲音的方向。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中： 所述可移動(dòng)部件與所述運(yùn)動(dòng)捕捉部件集成。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中： 所述運(yùn)動(dòng)捕捉部件是慣性測(cè)量部件。
6. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中： 所述運(yùn)動(dòng)捕捉部件是視覺捕捉系統(tǒng)。
7. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中： 所述處理部件用于計(jì)算關(guān)于所述可移動(dòng)部件從初始位置的移動(dòng)的麥克風(fēng)信號(hào)的多普 勒效應(yīng)頻移。
8. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中： 所述處理部件用于計(jì)算當(dāng)所述可移動(dòng)部件相對(duì)于初始位置移動(dòng)時(shí)所述麥克風(fēng)信號(hào)相 對(duì)于最大和/或最小幅值的聲音電平。
9. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中： 所述處理部件用于基于所述麥克風(fēng)信號(hào)的多普勒效應(yīng)頻移和所述運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào) 提供關(guān)于所述方向的信息。
10. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中； 所述處理部件用于基于所述麥克風(fēng)信號(hào)的聲音電平和所述運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)提供關(guān) 于所述方向的信息。
11. 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中： 所述聲源定位部件為聲像儀，其包括多個(gè)麥克風(fēng)。
12. 如權(quán)利要求1至10之一所述的系統(tǒng)，其中： 所述目標(biāo)方向參考確定部件包括： 攝像機(jī)，用于捕捉所述目標(biāo)物體及其背景的圖像；和 人機(jī)界面，用于基于所述圖像獲得所述目標(biāo)物體相對(duì)于其背景的輪廓信息； 其中： 所述目標(biāo)方向參考確定部件還用于基于所述輪廓信息預(yù)先確定所述目標(biāo)方向參考。
13. -種狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1至10之一所述的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背 景的聲音的系統(tǒng)，其中： 所述處理部分還用于基于所述區(qū)分后的聲音的頻率判斷所述目標(biāo)物體的狀態(tài)。
14. 如權(quán)利要求13所述的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，還包括： 報(bào)警設(shè)備，用于響應(yīng)于所述目標(biāo)物體的故障狀態(tài)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
15. -種移動(dòng)電話機(jī)，包括如權(quán)利要求1至10之一所述的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景 的聲音的系統(tǒng)。
16. -種區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的方法，所述目標(biāo)物體及其背景組成聲源， 包括： 將關(guān)于所述聲源定位部件相對(duì)于所述目標(biāo)物體的方向的信息確定為目標(biāo)方向參考； 通過使用麥克風(fēng)信號(hào)獲得關(guān)于聲音從所述聲源到達(dá)所述聲源定位部件的方向的信息； 以及 將其與所述目標(biāo)方向參考比較以便區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，包括： 接收所述麥克風(fēng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)并且基于在可移動(dòng)部件的移動(dòng)中獲得的所 述麥克風(fēng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)捕捉部件信號(hào)獲得來自聲源的聲音的方向。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，包括： 基于所述目標(biāo)物體相對(duì)于其背景的輪廓信息預(yù)先確定所述目標(biāo)方向參考。
19. 一種采用如權(quán)利要求16至18之一所述的區(qū)分來自目標(biāo)物體及其背景的聲音的方 法的狀態(tài)監(jiān)控方法，包括： 基于所述區(qū)分后的聲音的頻率判斷所述目標(biāo)物體的狀態(tài)。
20. 如權(quán)利要求19所述的狀態(tài)監(jiān)控方法，包括： 響應(yīng)于所述目標(biāo)物體的故障狀態(tài)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04M1/725GK104376849SQ201310353967
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】馬切伊·奧曼, 德特勒夫·佩普 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司