3D声音分析系统的制作方法

本公开涉及一种三维(3d)声音分析系统，特别是一种检测三维声波并分析输出信号的系统。

背景技术：

1、用于检测声音的传声器和系统通常在频率响应、灵敏度和方向性方面基本上是非线性的。

2、其方向性选择也受到很大限制。

3、试图将此类传声器用于3d声音应用会加剧这些问题。

4、期望提供能够检测在频率响应、灵敏度和方向性方面具有很高线性度的声音的传声器系统，并具有任何期望的方向性形式，诸如球形、半球形、圆锥形或选择任何期望的体积和形状或其任何组合或数量。该系统既适用于专业传声器应用，也适用于3d应用。

5、还期望提供识别大部分或所有检测声源的3d坐标的传声器系统，以良好至高保真的方式分离每个声源的发声，以及以良好至高保真的方式在声源原点重建声源，一般包括声源的全局模式。

技术实现思路

1、在本说明书中，除非另有指示，本文件中使用的术语和缩写为：

2、(i)缩写“3d”是指术语三维空间；

3、(ii)术语“声源”是指发出可检测声音的任何3d位置；

4、(iii)术语“双向传声器”或“图8传声器”是本文件中使用的传声器类型，“双向传声器”或“图8传声器”极性模式相同；

5、(iv)术语“双向矢量”是指相反的方向，一个指向真实声源，另一个指向虚假声源，这是所有双向传声器对每个可检测声源的特性；

6、(v)术语“位移”、“定位”和“振动”在对声波作出反应的声音感应部件的运动方面是可互换的；

7、(vi)术语“拴绳”和“纤维”在对声波作出反应的声音感应部件的锚定方面是可互换的；

8、(vii)术语“uv”是指紫外线；

9、(viii)术语“环氧树脂”通常是指uv固化环氧树脂，其中暴露于uv下的树脂通常在几秒钟内完全固化；

10、(ix)术语“led”是指发光二极管；

11、(x)缩写“cmut”是指“电容式微机械超声波换能器”；

12、(xi)术语“cmut束”是指cmut发射的声束；

13、(xii)术语“轴”是指坐标轴；

14、(xiii)术语“3d响应传声器模块”与术语“传声器模块”或“双向传声器”或“传声器”是可互换的；

15、(xiv)术语“双向矢量信息”与术语“双向信息”是可互换的；

16、(xv)术语“rf”是指射频；以及

17、(xvi)术语“fm”是指频率调制。

18、根据本公开的多个传声器模块预期在它们的频率响应、灵敏度和方向性的特性上基本一致。这种一致性能够通过测试将若干非线性方面建立为标准，然后，对于多个传声器模块，可以经由信号处理将这些非线性方面校正为线性特性。在这种情况下，多个传声器模块可被视为多个理想或接近理想的3d双向传声器模块。

19、本公开提供了一种3d声音分析系统，该系统包括3d响应传声器模块集群和信号处理器。3d响应传声器模块集群和信号处理器允许分析可检测的3d声音环境。该系统能够实现以下功能：

20、a)识别多个声源的多个3d位置；

21、b)以良好至高保真度从每个声源分离单独接收的声音；

22、c)来自每个传声器模块的信号相关性，以提高接收的信噪比；

23、d)针对到每个声源的每一距离的高频滚降补偿多个接收信号；

24、e)以良好至高保真度在每个声源原点处重建多个发射声波，高保真度通常包括其全局模式中的一些或全部；以及

25、f)选择各种声源或3d区域或方向作为输出。

26、在实施例中，3d响应传声器模块优选地被配置为围绕中心感测位置或中心感测元件的3d布置，以获得与来自可检测声源的所有冲击声波相关的双向矢量信息。

27、在实施例中，传声器模块集群被配置为3d布置，通常是四个传声器模块布置为四面体。由于每个传声器模块的3d位置不同，它们获得的与每个声源相关的3d双向矢量信息集也略有不同。

28、在实施例中，传声器集群的分布用于从大体积中收集声源信号信息。

29、在实施例中，信号处理器被编程为：

30、从每个传声器模块检索它们的3d双向矢量信息集；

31、将3d矢量信息集转换为数字信息集；

32、从数字信息集计算每个传声器模块的所有3d双向矢量；

33、计算所有传声器模块共用的双向矢量的3d交点，注意只有这样的共用交点表示声源的真实3d位置；

34、计算从每个传声器模块到每个声源的不同距离，从而进一步计算从每个声源到每个传声器模块的到达时间差，从而进一步计算来自每个声源的集体接收信号的时间到达同步，从而经由这种信号相关性最大化接收声音的信噪比；

35、计算并校正来自每个声源的高频声音滚降；以及

36、提供从每个声源在传声器集群的方向上发出的声波的数字表示作为输出。

37、在实施例中，传声器模块集群中的每个双向传声器在诸如频率响应、灵敏度和方向性等特性上基本一致，其中这些特性是在制造中通过测试建立为标准及用于质量控制，从而使任何双向传声器都能实现：

38、a)经由信号处理器将特性非线性方面(诸如频率响应和灵敏度)校正为线性特性，从而在有效信号输出中接近理想或接近理想双向传声器的质量；以及

39、b)一致且可解释的输出。

40、任何给定的传声器模块都可以提供足够的3d声音信息，使得信号处理器可以结合确定从每个可检测声源接收的声音来确定指向多个可检测声源的空间中的双向矢量。结合其他信号处理所得到的传声器模块集群可以经由来自每个传声器模块的双向矢量的交点来识别每个可检测声源的3d位置。

41、在实施例中，任何给定的传声器模块的双向传声器被放置在3d布置中，其中至少三个双向传声器在x-y-z轴上对齐。3d布置可以包括四面体放置的四个双向传声器，或以合适的多边形布置放置的任何其他数量的双向传声器。

42、在实施例中，传声器模块集群被放置在3d布置中。优选地，四个传声器模块以四面体放置，同时注意的是，五个或更多个传声器模块将倾向于提供改进的3d信号信息。

43、在第一方面，在以双向传声器的功能起作用的多个发射器和接收器对之间，提供了由连续波或脉冲组成的基本上窄的波束形式的多个高频声波。

44、横向于窄波束的轴的入射声波调制波束的路径长度，使得连续波束被接收为fm(频率调制)，并且脉冲被接收为ppm(脉冲位置调制)，优选地经由接收器处的过零检测。

45、多个发射器和接收器对通常非常接近，并且优选地以x-y-z轴布置的方式布置成在它们的中点处相交的窄波束。

46、多个窄波束优选地处于基本上高的频率，以提供冲击声波的基本上窄的波束和基本上高的清晰度。

47、在优选形式中，cmut(电容式微机械超声波换能器)被用作多个发射器和接收器对，以10mhz至40mhz的优选频率范围的脉冲声波运行。

48、可以使用其他形式的发射器和接收器对，通常具有连续波束。示例包括陶瓷、晶体和驻极体换能器以及光纤传声器接收器。

49、在第二方面，主动定位在中心的悬浮泡被用作对入射声波做出反应的元件，其中：

50、a)悬浮泡可以同样容易地在任何方向上移动，从而用作全向元件；以及

51、b)悬浮泡可以具有泡组成或结构的各种组合；

52、c)可以使用用于主动将悬浮泡定位在中心的多个定心设备；以及

53、d)可以使用用于感测悬浮泡的位置的多个感测设备。

54、悬浮泡：

55、a)非常薄，以最小化质量并最大化灵敏度；以及

56、b)与入射声波感兴趣的最高频率的波长相比，直径较小；以及

57、c)具有在变化的大气条件下保持其直径的孔隙率，其中孔隙率可以通过诸如聚合物或环氧树脂薄膜中固有的孔隙率、聚合物或环氧树脂薄膜中结合的蒸发颗粒、重离子轰击等方式结合；以及

58、d)在制造过程中具有质量控制，以确保使用的任何悬浮泡都符合基本严格的标准，从而确保制造过程中的一致性。

59、在实施例中，使用生成磁场的多个定心设备来实现悬浮泡的主动定心。优选由聚合物或环氧树脂材料制成的悬浮泡可以包括铁纳米粒子或其他磁响应材料。可以使用多个定心设备来实现主动定心，该定心设备优选为四面体布置中的四个电磁铁。

60、在另一实施例中，可以使用生成静电荷的多个定心设备来主动将悬浮泡定位在中心。优选由聚合物或环氧树脂材料制成的悬浮泡可以具有静电荷。可以使用优选为四面体布置中的四个静电板的多个定心设备来实现主动定心。

61、在另一实施例中，悬浮泡经由高频声波主动定心，使得悬浮泡在永久零位内，或者在掠射波束的网内，或者经由掠射波束被推到适当位置。

62、悬浮泡的位置优选地使用基于激光干涉测量的多个感测设备来感测，或者通过以类似于rf电容传声器的方式在x-y-z轴上形成具有三组板作为三个rf(射频)振荡器的电容器来感测。此外，多个感测设备可以使用任何其他合适的感测方法，诸如rf反射或声波束反射。

63、在第三方面，多个拴绳泡、它们的拴绳或拴绳泡和拴绳的组合被用作对入射声波做出反应的元件，其中：

64、a)优选地使用三个元件，每个元件对入射声波作出反应；

65、b)优选地三个元件是拴绳泡；

66、c)每个拴绳泡的拴绳穿过泡或者通过将拴绳端结合到泡而优选地是轴向的；

67、d)每个拴绳泡的拴绳基本上是薄且细长的；

68、e)每个拴绳泡的拴绳由弹性聚合物或纤维组成；

69、f)每个拴绳泡都位于拴绳的中心；

70、g)拴绳泡可以在拴绳的横向方向上移动；以及

71、h)多个拴绳泡可以由泡组成或结构的各种组合形成。

72、在实施例中，拴绳泡：

73、a)基本上很薄，以使质量最小化，从而使灵敏度最大化；

74、b)与入射声波感兴趣的最高频率的波长相比，直径优选地较小；

75、c)具有在变化的大气条件下保持其直径的孔隙率，其中孔隙率可以通过诸如聚合物或环氧树脂薄膜中固有的孔隙率、聚合物或环氧树脂薄膜中结合的蒸发颗粒、重离子轰击等方式结合；以及

76、d)在制造过程中具有质量控制，以确保使用的可接受泡符合基本严格的标准，从而确保制造过程中的一致性。

77、在实施例中，多个感测设备基于激光干涉测量，或者通过以类似于rf电容传声器的方式在x-y-z轴上形成具有三组板作为三个rf振荡器的电容器。此外，多个感测设备可以使用任何其他合适的感测方法，诸如rf反射或声波束反射。

78、应当理解的是，有许多常见的现有技术可以应用于本文所讨论的形式，诸如使用多面体笼来支撑传声器模块、防尘罩、有线或无线操作、激光扫描环境以辅助或伴随声源定位数据、使用线圈而非直系拴绳以及用气凝胶或织带代替拴绳。

79、应该理解的是，传声器系统有许多潜在的应用，诸如在人群或合唱团中隔离个人声音、在管弦乐队中隔离乐器、在嘈杂的环境中隔离扬声器的声音、野生动物监测、安全、飞机飞行记录仪、工业监测、制造或故障检测的噪声和振动识别以及媒体制作。