Определение направления звука с помощью нескольких микрофонов

Прежде всего, я видел похожую тему, однако она немного отличается от того, чего я пытаюсь достичь. Я создаю робота, который будет следовать за человеком, который его называет. Моя идея состоит в том, чтобы использовать 3 или 4 микрофона, то есть в следующем порядке, чтобы определить, из какого направления был вызван робот:

Где S - источник, A, B и C - микрофоны. Идея состоит в том, чтобы рассчитать фазовую корреляцию сигналов, записанных от пар AB, AC, BC и на основе этого построить вектор, который будет указывать на источник, используя своего рода триангуляцию. Системе даже не нужно работать в режиме реального времени, потому что она будет активирована голосом - сигналы со всех микрофонов будут записываться одновременно, голос будет дискретизироваться только с одного микрофона, и, если он соответствует голосовой подписи, фазовая корреляция будет вычислена из последняя доля секунды, чтобы вычислить направление. Я знаю, что это может работать не очень хорошо, например, когда робот вызывается из другой комнаты или когда есть несколько отражений.

Это просто идея, которая у меня была, но я никогда не пробовал ничего подобного, и у меня есть несколько вопросов, прежде чем я создам реальное оборудование, которое будет выполнять эту работу:

1. Это типичный способ сделать это? (т. е. используется в телефонах для подавления шума?) Каковы другие возможные подходы?
2. Можно ли как-то рассчитать фазовую корреляцию между 3 источниками одновременно? (т.е. чтобы ускорить вычисления)
3. Достаточна ли частота дискретизации 22 кГц и глубина 12 бит для этой системы? Я особенно обеспокоен глубиной в битах.
4. Следует ли размещать микрофоны в отдельных трубках для улучшения разделения?

Чтобы расширить ответ Мюллера,

4. Следует ли размещать микрофоны в отдельных трубках для улучшения разделения?

4. 
   
   $\frac{\text{speed of sound}}{\text{sound frequency}}=\frac{343\text{ m/s}}{6\text{ kHz}}=5.71\text{ mm}$

---

редактировать

Мне показалось, что этот вопрос № 2 выглядит забавно, поэтому я решил попытаться решить его самостоятельно.

2. Можно ли как-то рассчитать фазовую корреляцию между 3 источниками одновременно? (т.е. чтобы ускорить вычисления)

Если вы знаете свою линейную алгебру, то можете представить, что вы поместили микрофоны в треугольник, где каждый микрофон находится на расстоянии 4 мм друг от друга, а внутренние углы составляют .$60°$

Итак, давайте предположим, что они находятся в этой конфигурации:

       C
      / \
     /   \
    /     \
   /       \
  /         \
 A - - - - - B

Я буду...

• используйте номенклатуру которая является вектором, указывающим от к$\overline{AB}$$A$$B$
• называют мое происхождение$A$
• напишите все числа в мм
• использовать 3D математику, но в конечном итоге с 2D-направлением
• установите вертикальное положение микрофонов в их фактическую форму волны. Таким образом , эти уравнения основаны на звуковую волну , которая выглядит как это .
• Рассчитайте перекрестное произведение этих микрофонов на основе их положения и формы волны, затем проигнорируйте информацию о высоте от этого перекрестного произведения и используйте arctan, чтобы определить фактическое направление источника.
• позвонить выходной сигнал микрофона в положении , вызов выходе микрофона в положении , вызов выхода микрофона в положении$a$$A$$b$$B$$c$$C$

Так что следующие вещи верны:

• $A=(0,0,a)$
• $B=(4,0,b)$
• $C=(2,\sqrt{4^2-2^2}=2\sqrt{3},c)$

Это дает нам:

• $\overline{AB} = (4,0,a-b)$
• $\overline{AC} = (2,2\sqrt{3},a-c)$

И перекрестный продукт просто$\overline{AB}×\overline{AC}$

$$\begin{align} \overline{AB}×\overline{AC}&= \begin{pmatrix} 4\\ 0\\ a-b\\ \end{pmatrix} × \begin{pmatrix} 2\\ 2\sqrt{3}\\ a-c\\ \end{pmatrix}\\\\ &=\begin{pmatrix} 0\cdot(a-c)-(a-b)\cdot2\sqrt{3}\\ (a-b)\cdot2-4\cdot(a-c)\\ 4\cdot2\sqrt{3}-0\cdot2\\ \end{pmatrix}\\\\ &=\begin{pmatrix} 2\sqrt{3}(b-a)\\ -2a-2b-4c\\ 8\sqrt{3}\\ \end{pmatrix} \end{align}$$

Информация о Z, , просто бесполезна, нас не интересует. При изменении входных сигналов кросс-вектор будет качаться взад и вперед в направлении источника. Таким образом, половину времени он будет указывать прямо на источник (игнорируя отражения и другие паразиты). А в остальное время он будет указывать на 180 градусов от источника.$8\sqrt{3}$

Я говорю о который можно упростить до , а затем поверните радианы в градусы.$\arctan(\frac{-2a-2b-4c}{2\sqrt{3}(b-a)})$$\arctan(\frac{a+b+2c}{\sqrt{3}(a-b)})$

Итак, в результате вы получите следующее уравнение:

$$\arctan\Biggl(\frac{a+b+2c}{\sqrt{3}(a-b)}\Biggr)\frac{180}{\pi}$$

---

Но половину времени информация буквально на 100% неверна, так как ... нужно ли ... исправлять это в 100% случаев?

Хорошо, если ведет , то источник не может быть ближе к B.$a$$b$

Другими словами, просто сделайте что-то простое, как это:

source_direction=atan2(a+b+2c,\sqrt{3}*(a-b))*180/pi;
if(a>b){
   if(b>c){//a>b>c
     possible_center_direction=240; //A is closest, then B, last C
   }else if(a>c){//a>c>b
     possible_center_direction=180; //A is closest, then C last B
   }else{//c>a>b
     possible_center_direction=120; //C is closest, then A last B
   }
}else{
   if(c>b){//c>b>a
     possible_center_direction=60; //C is closest, then B, last A
   }else if(a>c){//b>a>c
     possible_center_direction=300; //B is closest, then A, last C
   }else{//b>c>a
     possible_center_direction=0; //B is closest, then C, last A
   }
}

//if the source is out of bounds, then rotate it by 180 degrees.
if((possible_center_direction+60)<source_direction){
  if(source_direction<(possible_center_direction-60)){
    source_direction=(source_direction+180)%360;
  }
}

И, возможно, вы захотите реагировать, только если источник звука исходит от определенного вертикального угла, если люди разговаривают над микрофонами => 0 изменение фазы => ничего не делать. Люди говорят горизонтально рядом с ним => некоторые изменения фазы => реагируют.

$$\begin{align} |P| &= \sqrt{P_x^2+P_y^2}\\ &= \sqrt{3(a-b)^2+(a+b+2c)^2}\\ \end{align}$$

Так что вы можете установить этот порог на что-то низкое, например, 0,1 или 0,01. Я не совсем уверен, зависит от объема и частоты и от паразитиков, проверьте сами.

Еще одна причина, по которой следует использовать уравнение абсолютного значения, - для пересечения нуля может быть небольшой момент, когда направление будет указывать в неправильном направлении. Хотя это будет только на 1% времени, если даже это. Таким образом, вы можете прикрепить LP-фильтр первого порядка к направлению.

true_true_direction = true_true_direction*0.9+source_direction*0.1;

А если вы хотите отреагировать на конкретную громкость, просто сложите 3 микрофона вместе и сравните их с каким-то значением триггера. Среднее значение микрофонов - это их сумма, деленная на 3, но вам не нужно делить на 3, если вы увеличите значение триггера в 3 раза.

---

У меня проблемы с маркировкой кода как C / C # / C ++ или JS или любого другого, поэтому, к сожалению, код будет черным по белому вопреки моим пожеланиям. Ну что ж, удачи на вашем предприятии. Звучит смешно.

Также есть вероятность 50/50, что направление будет 180 от источника в 99% случаев. Я мастер в совершении таких ошибок. Исправление для этого было бы просто инвертировать операторы if, когда следует добавить 180 градусов.

1. Да, это кажется разумным и типичным.
2. Точно так же вы можете использовать три сигнала микрофона одновременно (не проходя «обход» через ваши три пары корреляций). Ищите «МУЗЫКА» и «ESPRIT» в приложениях направления прибытия.
3. Очень вероятно, что это так. Вы не стремитесь к высокому качеству звука, вы стремитесь к хорошим корреляционным свойствам, и несколько бит здесь и там, вероятно, не будут создавать или разрушать систему. С другой стороны, более высокая частота дискретизации, такая как очень распространенные 44,1 кГц или 48 кГц, мгновенно удвоит угловую точность, весьма вероятно, на той же длине наблюдения.