激光反射法音频声源定位与语音内容解析

激光反射法音频声源定位与语音内容解析摘要随着当今世界科技的发展，激光的应用也越来越广。不仅能实现准确测距，还可以精确的定位声源，并还原其内容。在这里我们干涉法测量玻璃的振动振幅来确定声源位置和测量声源的频率从而解析出语音内容。关键词迈克尔逊干涉仪一、合理假设：玻璃振动只受扬声器发出声波的影响，不受反射声波的影响。由于扬声器距声源2米，后方空间更大，在来回反射过程中能力损耗大。假设声源的高度知道。由于题目只要求声源的水平位置，高度可以事先测量。二、激光干涉法测量玻璃的振幅与频率。（排除）激光干涉法是以激光干涉原理为基础进行测量的一种光学测量方法，与一半的测量方法相比，激光干涉法具有较高的精度。本次比赛我们采取激光的干涉现象来测量玻璃表面的位移，其原理图为迈克尔逊干涉仪原理（如图1所示）。激光束通过分光镜分解成两束等强的光束，一束为信号光束，另一束为参考光束。参考镜面激光装置激光束参考光束光号信被测物体激光装置激光束参考光束光号信被测物体光敏元件信号光束通过透镜聚焦入射到被测玻璃的表面，从被测玻璃的表面反射或散射回来的信号光束和参考光束在光敏元件上产生干涉现象，如图1所示。信号光束的和参考光束也具有相同的频率3,不同的相位角如和。2,不同的振幅Ai和A?,即=AlCOS(O)0t—01)；支=MC0S(3()t—02)«2=A2cos(a)0t—02)假设激光束的波长为入，信号光束和参考光束的空间位移为&则有2泌A0=01—02=~~假设玻璃与特定位置的距离为x,当x=0时，信号光束和参考光束的相位差刚好为零。考虑信号光束的入射和反射需要两倍路程，则有4nx8=2x：A0=——A这时两束合成的光束表示为a=«!+a2=Acos(a)t—0)/A0\ sin(0i)+sin(02/A0\ sin(0i)+sin(02)\2/ 「a】】cos®)+cos(02)COSA=V2Ao(1+cos(A0))=2A0COS根据光的强度与振幅的平方成正比，两束光合成后的光强为2I2I=pA2=4pA^cos其中。为比例系数。每当玻璃移动半个波长入/2时，光强完成一个强弱变化周期。通过记录光强周期变化总数n,可推断待测距离nAx=T乂通过计算出相邻两个变化最频繁(或最不频繁)的X即可知道玻璃的振幅，再由于最小测量时间T，就可以算出振动频率，即1V=—nr三、激光反射法测量玻璃的振幅和振动频率

反射法是根据激光照到玻璃上，反射回来的光点会在屏幕上微小移动，通过测量微小移动的最大变化，就可以知道振幅的相对值，通过记录两次最大变化的时间，就可以知道其周期。反射原理图如下：其中L为系统到玻璃的距离（10~15M）x为检测屏到光源的距离（一般小于1米），dL为玻璃的振动位移，dx为测量的振动位移。可以根据相识三角关系得出：Xdx=-dL这样麻烦就来了，dL本身很小，通过上式得到dx更小10倍。这样以来，我们只能通过放大光路的方法测量（球面镜散光、凹面镜散光）现在先测试球面镜散光，通过光路分析，可以将光由下式放大（如下图）：dxDdy=M&5（l+K—sm«P+。。））0公式推导可以和我讨论，我怕自己推错。四、根据玻璃振动得出声源位置。理论上，扬声器是均匀的向前半球发射信号能量，并且向前面发散的声信号能量的衰减速率与能量传播距离成一定的反比例关系。这样，只要知道声源发射的信号能量和玻璃处的声场能量，方可知道玻璃与声源的距离：E玻璃=g’+£式中E波璃为玻璃处空气的能量，g为能量的衰减系数，E。为声源的发射能量,d为声源到玻璃的距离，£为背景噪声能量值。假设能量的衰减系数己知，则在实验过程中，E。为己知量，背景噪声能量可以通过扬声器没有发音时测得，E玻璃可以通过激光测量玻璃的微小振动振幅推算出玻璃处空气的能量。因此，在测量过程中就可得到声源与玻璃的距离。若使用两面玻璃同时测量就可得到声源的水平位置。如图2

现在最关心的时能量的衰减系数如何得到，由于能量的衰减系数和空气的许多性质有关，不便于用公式直接测量，则可以通过比赛前模拟，来测量g。五、 频率的确定和语音内容解析我们可以事先记录号某声音的振动频率，然后与之对比即可。六、 检测模块由于精度要在1分米，单片机就32个ion,其中要由一些输出，想用两个单片机通讯来提高。得到的计算结果可以用电脑计算。PortL>Po