[发明专利]一种固定区域声音定位系统及其定位方法

权利要求书

1.一种固定区域声音定位方法，其特征在于，包括：

步骤一：将固定区域结构平放在平整地面，并将声源机械结构随机放在坐标板上的坐标系中；

步骤二：按下盒盖上的的帆船开关，该盒体内声源放大电路由干电池进行供电，为主控提供电源，进而驱动声源放大电路，使扬声器发出声音；

步骤三：由声源机械结构进行发声，坐标板上的三个麦克风进行声音采样：首先信号经过滤波器电路将干扰的噪声过滤掉，得到预先设定好的波形；然后留下来的波形将通过信号放大电路进行信号放大，放大的信号将通过钳位电路进行特定幅度、频率波形的固定，最后通过检波电路检测波形范围，输入至STM32处理后通过显示电路进行显示；

输入STM32的信号具体做如下处理：S代表声源，并设其坐标为(x,y)，M0、M1、M2代表麦克风，其坐标分别为(0,0)，(0,h)，(l,0)，如果能够得到S到达M0、M1、M2的时间差即可求出S的坐标，设声源S到达M0、M1、M2的时间分别为t₀、t₁、t₂，设声音在空气中传播的速度为C，对麦克风M0和M1而言，声源的位置在其到该两点的距离差为CΔt₁的曲线上，利用声源到达M0、M1的时间差Δt₁＝t₁-t₀和M0、M2的时间差Δt₂＝t₂-t₀得到两条双曲线，这两个双曲线的交点就是声源位置；设声源到原点的距离为r，将声源S坐标转化到极坐标，设S的极坐标为(r,H)，由以上关系得到以下关系式：

x²+y²＝r² (1)

x²+(y-h)²＝(r+Δt₁)² (2)

(x-l)²+y²＝(r+Δt₂)² (3)

把式(1)代入式(2)和(3)并展开得：

2yh+2rcΔt₁＝h²-c²Δt₁² (4)

2xl+2rcΔt₂＝l²-c²Δt₂² (5)

将(x,y)转换到极坐标系并将其带入方程(4)和(5)，令c1＝cΔt1，c2＝cΔt2得

2rhsinH+2rc₁＝h²-c₁² (6)

2rlcosH+2rc₂＝l²-c₂² (7)

消去r可得：

(h²-c₁²)(lcosH+c₂)＝(l²-c₂²)(hsinH+c₁) (8)

令

A＝l(h²–c₁²) (9)

B＝-h(l²-c₂²) (10)

D＝c₁(l²-c₂²)–c₂(h²–c₁²) (11)

则式(8)可化简为：

AcosH+BsinH＝D (12)

令则式(12)可化为：

即

计算A、B、D、θ所用的参数c1、c2为声源到达三个麦克风的相对距离差，由式(14)和θ可得H的计算公式：

在计算出H的值后，由公式(6)即可求出声源到原点的距离r：

声源S0的坐标为：

x＝rcosH,y＝rsinH (17)

上述方法是在声音定位系统中实施的，所述声音定位系统，包括固定区域结构、声源机械结构、麦克风、声源放大电路、电源模块、滤波器电路、信号放大电路、钳位电路、检波电路、STM32、显示电路；所述固定区域结构包括坐标板和围板，所述坐标板与围板形成一个无盖长方体，所述无盖长方体的一个拐角处设有支柱，在支柱上安装有PCB板，所述围板上设有用来固定各个麦克风连接线的扎带；所述声源机械结构，包括盒体和盒盖，所述盒体的每个侧板上均设有多个扬声孔，在盒体内部设置有用于固定扬声器的卡座，所述盒盖盖在盒体上；所述声源机械结构位于坐标板上；所述PCB板上设有顺序相连的滤波器电路、信号放大电路、钳位电路、检波电路、STM32、显示电路；所述麦克风、声源放大电路、电源模块位于盒体内；在盒盖上设有帆船开关。