《装备制造技术｝２０１６年第０２期 激光声源定位系统设计 李梅’，刘伟 ，童慧芬 ，郑森伟 （１．厦门华天涉外职业技术学院，福建厦门３６１１０２； ２闽南理工学院精密工程研究所，福建石狮３６２７００） 摘要：以激光作为探测光源，基于双耳效应的原理设计了一套声源定位系统。该系统将由声音信号产生的振动通过激 光反馈到接收器，并通过光敏二极管将其转化成电信号，放大后转化为数字信号，最终经过单片机数据处理显示结果。 实验表明该系统能用于一定距离内的声源定位，可为听觉场景分析、仿生机器人等高新领域提供一定的研究基础。 关键词：声源定位；激光；双耳效应；光电转换 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１６）０２—０２０１—０３ 随着军用以及民用科技的发展，声源定位相关 技术的应用越来越广泛。在军事系统中，它可用于武 器的精确打击，为最终摧毁对方提供有力保证；在民 用系统中，可为目标提供可靠有效的服务，起到安全 保障作用［１＿３】。声源定位技术涉及到声学、信号检测、 电子学、数字信号处理、软件设计等诸多技术领域， 具有不受通讯条件干扰、被动探测方式、可全天候工 作的特点。但因为声源定位环境的复杂性，再加之信 号采集过程中不可避免的掺进了各种噪声干扰，使 得定位精度无法得到有效提高。 本文以激光作为探测光源，基于双耳效应的原 理设计了一套声源定位系统，可用于一定距离内的 图１双耳效应原理图 声源定位，为听觉场景分析、仿生机器人、增强现实 ２系统硬件设计 音频和多声源分离及追踪等高新领域提供一定的研 究基础。 ２．１系统整体设计 声源定位系统将由声音信号产生的振动通过激 １仿人双耳的声源定位原理 光反馈到接收器，并通过光敏二极管将其转化成电 如图１所示，当声源到两耳的距离不等时，声音 到达两耳的时间就会有差异。若左耳先听到声音，则 听者就觉得声音是从左边来的，反之亦然。激光具有 信号，放大后转化为数字信号，最终经过单片机数据 处理显示结果。该系统主要由以下几部分组成：电 源，发射器，光电探测器，放大电路，比较器模块，单 片机模块，数码管等。整个系统的结构示意图如图２ 方向性好，光能集中，传输速度快的特点，因此可用 所示。 两束激光分别打在两块玻璃上的光斑来模拟双耳， 测出声音传播到玻璃上两个光斑的时间差以实现定 位与测距［４］。 收稿日期：２０１５—１１－０９ 基金项目：泉州市科技计划项目（２０１１Ｚ２７）；石狮市科技计划项目（２０１２ＳＤ０６）；石狮市科技计划项目（２０１３ＳＤ１８） 作者简介：李梅（１９５９一），女，辽宁阜新人，本科，高级工程师，主要从事光机电一体化方向的研究；刘伟（１９８２一），男，云南罗平人， 硕士，副教授，主要从事精密加工方向的研究；童慧芬（１９８３一），女，湖北天门人，硕士，讲师，主要从事机械制造及其自动 化方向的研究；郑森伟（１９８２一），男，福建龙海人，硕士，讲师，主要从事材料成型方向的研究。 ２０１ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．０２，２０１ ６ 图２系统结构示意图 ２．２光电探测器 为了保证反射回来的激光能量能够最大限度的 被探测器接收，采用会聚镜将激光束聚焦到一点，并 将探测器安装在会聚镜的焦点处。光电探测器的方 位和光路调试：（１）用示波器连接光敏二极管模块来 接收由发射装置反射回来的激光波束，改变入射在 镜面光束的角度，通过观察波形幅度最大、失真最小 的最好状态，测出激光入射角的角度值，比较得出最 佳的入射角。（２）保持入射角不变，调节光电探测器 收到光斑的大小，确定出最佳接收信号。 ２．３比较器模块 采用电压比较器模块ＬＭ３９３ｎ．设置一个基准电 压（比较分析经放大后的信号震动电压和没信号震 动电压变化规律得出），当有声音信号过来时，输入 电压大于基准电压，输出电压为高电平；当没有声音 信号过来时，输入电压小于基准电压，输出低电平。 工作电压５ ｖ，待机功耗＜０．５ Ｗ，此模块的作用是将放 大电路输出的模拟信号转换成数字信号，以便单片 机识别。 ２．４单片机模块 采用ＬＹ５Ａ—Ｌ２ＡＶ４学习开发板，ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ 芯片。此模块主要作用：（１）判断并显示声源位于两 窗中间面的“左”、“右”侧；（２）显示出声源距两窗中 间面的垂直距离。通过此模块进行数据处理，并最终 用数码管显示出相关定位参数。 ３定位系统软件设计 ３。１系统软件总流程 系统软件总流程见图３．当没有声音信号时，电 压会处于平稳的状态，比较器输出低电平。当光电探 测器接收到一路的声音信号时，电压发生变化，经放 大后与基准电压比较，比较器输出高电平，单片机快 速识别电平变化，开始启动计时功能；当另外一路声 音信号过来时，电压再次发生变化，电平由低变高， 经单片机识别后，停止计时功能，此时得出时间差 △Ｔ，带人相应的计算公式进行数据处理最终确定声 源位置。 ２０２ 图３程序流程图 ３．２声源定位公式和误差补差 根据系统设计性能参数采用近似算法推出了如 下计算公式 ： Ｓｌ—Ｓ２＝Ｖ×Ａ Ｔ＿＿＋Ｖ ×｛、／ 丽Ａ２一、／ ＿二 丽｝ ＝Ｖ×ＡＴ （１） Ｘ＝ｆ １５００６２５００００ｔＡ４—１６２３１２５ｔＡ２ ／１６２３１２５ｔＡ２—６．７６） （２） 化简区近似得出最终的计算公式 Ｘ＝４９０×ａＴ （３） 由于是近似取得的公式，存在一定的误差范围。 应以０．１ ｍ为单位距离，采用待定系数法，分段计算 出误差补差，然后加到公式中，保证测量精度达到± ０．１ ｍ．图４所示。 Ｎ ｎ ０ ｔ＂ｑ ｎ 寸 ｌｎ Ｘ值，ｍ 图４精确公式与近似公式的数据比较 ４系统的测试与结果分析 ４．１测试条件 选用学校教学楼一楼的一间密闭教室进行实际 的定位测量，教室两扇相邻玻璃窗户之间的中心距 离大于１０００ ｒａｍ；扬声器位于距离墙体２—４ ｍ处，扬 声器音量可调。 《装备制造技术）２０１６年第０２期 ４．２结果与分析 （１）接收效果与接收光斑大小的关系（Ａ—Ｄ表示 ５结束语 振幅从大到小），见表１．当接收光斑全照在光电二极 随着社会发展和科技进步，声源定位技术也在 管时，所探测到的光通量变化微弱，不利于检测；当 接收光斑部分照在光电二极管时，接收效果较好，且 不断提高，其应用范围也将更加广泛。该系统通过测 试和调试，最终能基本满足定位要求，但还存在诸多 减少接收光斑面积可防止光电二极管饱和。 表１接收效果与接收光斑大小关系列表 需要改进的地方。如系统采用的激光为有色光源，若 光斑占光电二极管的面积比正弦波振幅／ｍｖ 全部 １／２ Ｄ Ａ １／３ Ｃ ２／３ Ｂ 采用红外光该如何改进系统以提高反射光的捕捉效 率；当扬声器离两扇窗户的中间位置较远时，两窗接 （２）接收效果与入射角的关系见表２．在一定范 围内，入射角越大，震动效果越明显。 表２接收效果与入射角关系列表 人射角／。监听效果 ０ 较差 ３０ 较好 ４５ 好 ６０ 最好 收到的声波大小差值较大，振动幅值也有很大不同， 如何排除该干扰；如何更好的滤除环境噪声，提高 系统稳定性等。接下来针对这些问题，还应做深入的 研究。 （３）接收距离与最佳效果的播放分贝数的关系 参考文献： 见表３．当距离较短时，光电二极管接收的光强过强， 【１］李国良，刘禄胜．声学在非致命武器中的应用［Ｊ］．国防技术 易发生饱和；当距离较大时，有利于信号的检测，调 基础。２００５（３）：３８—４０． 节好放大倍数，可得到较好的效果。 【２］李从清，孙立新，戴士杰，等．机器人听觉定位跟踪声源的研 表３接收距离与最佳效果的播放分贝数关系列表 接收距离／ｍ １２ １３ １４ １５ 究和进展．燕山大学学报【Ｊ】．２００９．３３（３）：１９９—２０５． ［３】张超凡．激光窃听技术的改进与实现ｆＪ１．激光与红外， ２００８．３８（２）：４５—４８． ４】张峰．室内环境下的双耳声源定位系统的研究与实现【Ｄ】． （４）内声源播放分贝数与定位精确度的关系见表 ［【硕士学位论文】，南京：东南大学，２０１０． ４．接收距离、接收光斑大小和入射角大小互相作用，想 ５】杨祥清．声源定位算法及实现【Ｄ】．【硕士学位论文】，合肥： 得到理想的检测效果，三者要互相配合调节。在其他条 ［中国科技大学，２００７． 件一定的情况下，播放分贝越大，定位精确度越高。 表４内声源播放分贝与定位精确度关系列表 播放分贝ｄｂ ８０ ７０ ６５ ５５ 【６】曹南隽．声源定位算法研究［Ｄ＂硕士学位论文】，北京：北京 理工大学，２００７． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｎｄ Ｓｕｐｐｌｙ ＬＩ Ｍｅｉ ，ＬＩＵ Ｗｅｉ。，ＴＯＮＧ Ｈｕｉ—ｆｅｎ ，ＺＨＥＮＧ Ｓｅｎ—ｗｅｉ （１．Ｘｉａｍｅｎ Ｈｕａｔｉａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｍｅｎ Ｆｕｊｉａｎ ３６１ １０２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｍｉｎｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｓｈｉ Ｆｕｊｉａｎ ３６２７００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｉｎａｕｒａｌ ｅｆｆｅｃｔ ａ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ．Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｓｏｕｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｆｅｄ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｖｉａ ａ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｂｙ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｈ ｉｓ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄａｔａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｔ ｃｏｎｔｉｒｂｕｔｅｓ ｔｏ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｓｕｃｈ ｎｅｗ ａｒｅａｓ ｏｆ ａｕｄｉｔｏｒｙ ｓｃｅｎｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｌａｓｅｒ；ｂｉｎａｕｒａｌ ｅｆｆｅｃｔ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｒｏｎ ２０３
