一种三维集成MEMS声矢量传感器的信号处理方法及装置

一种三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法及装置
技术领域
1.本发明属于三维空间中声音信号技术领域，具体涉及一种三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法及装置。


背景技术：

2.声矢量敏感芯片一般是指能够实现单点测量声粒子振速信息的传感器，声矢量敏感芯片分别有压差式，同振式，mems纤毛式和mems热式声矢量传感器。其中传统的压差式，同振式和mems纤毛式声矢量敏感芯片均不能直接测量声粒子振速这一基本物理量，而mems热式声矢量敏感芯片是利用不同方位的测温梁测量温度的变化即可获得声音的矢量信息，从而实现了声粒子振速的直接测量。
3.一般的，mems热式声矢量敏感芯片测量的是沿单轴的声粒子振速信号，即获得的是一维的振速分量。而mems声矢量传感器一般指的是集成了标准声压传感器和声矢量敏感芯片的传感器。
4.三维声矢量传感器指的是能够同时获得声压和x、y、z三轴方向上的振速分量信息的传感器，由标准声压传感器和多片mems声矢量敏感芯片复合而成。
5.典型的三维声矢量传感器是由标准声压传感器和三个相互垂直正交的mems声矢量敏感芯片复合而成，即采用传统的正交结构，在此结构中水平方向与垂直方向的表现可能不同，并且由于在此结构中所摆放的3个正交mems声矢量敏感芯片的敏感方向并不是完全共点，还会带来三轴所得到信号量的不一致性，以及由于所置mems声矢量敏感芯片的位置从侧面看还带来了指向性不对称等缺点。


技术实现要素：

6.针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法及装置。
7.本发明提供的技术方案如下：
8.一种三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法，其步骤包括：
9.1)将4个mems声矢量敏感芯片分别设置在两对平行对应的侧面上，上述两对平行对应的侧面相互垂直，其中，每个侧面上的mems声矢量敏感芯片的敏感平面上敏感方向与水平方向夹角分别是b1，b2，b3，b4，均为任意角度；
10.2)获取一对平行侧面上的两个mems声矢量敏感芯片的振速信号v1和v3，以及在另一平行侧面上的两个mems声矢量敏感芯片的振速信号v2和v4，按照如下公式计算分别得到y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量；
[0011][0012]
一种三维集成mems声矢量传感器，其特征在于，包括柱体、mems声矢量集成模块和信号采集与处理系统，其中，mems声矢量集成模块包括声压传感器和4个mems声矢量敏感芯片，4个mems声矢量敏感芯片分别设置在柱体的相互垂直的两对平行侧面上，mems声矢量集成模块同时获得声压和4个mems声矢量敏感芯片的振速信号，信号采集与处理系统，用于对4个mems声矢量敏感芯片的振速信号进行采集和计算，获得在x轴、y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量。
[0013]
在mems声矢量敏感芯片上增加设置保护壳，对mems声矢量传感器进行保护。
[0014]
所述柱体的截面可为长方形、正方形或正八边形等，该柱体包含两组相互垂直平面的几何体。
[0015]
在mems声矢量敏感芯片集成模块内设置信号调理电路，所述信号调理电路用于对4个mems声矢量敏感芯片、标准声压传感器输出的信号进行放大滤波处理。
[0016]
本发明的有益效果：
[0017]
本发明利用在两对平行对应的侧面上摆放mems声矢量敏感芯片，4个mems声矢量敏感芯片的敏感方向和水平方向可以是任意角度，通过对这4路矢量振速信号进行解算，从而获得三维空间中声音信号分布。与传统的正交结构相比，可以减小因mems声矢量敏感芯片不共点带来的指向性不对称问题，降低了轴向灵敏度的不对称性，同时也为后端的共点校正提供的可能性。除此之外，因为mems声矢量敏感芯片可以任意角度摆放，可以减少装配时因芯片摆放角度误差带来的问题。
附图说明
[0018]
图1为本发明mems声矢量敏感芯片集成模块示意图；其中，1-mems声矢量敏感芯片；2-声压传感器；3-保护壳；4-柱体；5-信号调理电路；
[0019]
图2为本发明具体实施例中4个mems声矢量敏感芯片摆放示意图；
[0020]
图3为本发明三维集成mems声矢量传感器的信号采集与处理示意图；
[0021]
图4为本发明mems声矢量敏感芯片的振速信号v示意图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图，通过具体实施例子，进一步阐述本发明。
[0023]
本发明提供的三维集成mems声矢量传感器包括：mems声矢量敏感芯片集成模块、长方形柱体和信号采集与处理系统。
[0024]
如图1所示，mems声矢量敏感芯片集成模块包括声压传感器和4个mems声矢量敏感芯片，4个mems声矢量敏感芯片分别设置在长方形柱体的4个侧面上，声压传感器设置在长
方形柱体的顶端平面，每对平行的侧面上放置2个mems声矢量敏感芯片，所述mems声矢量敏感芯片的敏感方向均为沿长方体侧面斜向上或向下，如图2所示，4个mems声矢量敏感芯片的可以按照0
°
～90
°
范围内任意角度摆放，相互平行的两个面上的mems声矢量敏感芯片的敏感方向与各自的敏感平面上的水平方向夹角均为任意角度，也就是说存在着两组敏感方向与其水平方向之间夹角不同分布的mems声矢量敏感芯片，同时将保护壳置于四个mems声矢量传感器之上，对mems声矢量传感器进行保护。
[0025]
在mems声矢量敏感芯片集成模块内设置信号调理电路，所述信号调理电路用于对4个mems声矢量敏感芯片、标准声压传感器输出的信号进行放大滤波处理。
[0026]
参考图3，本发明在长方形柱体的两个对称面上按照任意角度摆放mems声矢量敏感芯片，mems声矢量敏感芯片集成模块获得的4路矢量振速信号以及声压传感器的信号，上述4个mems声矢量敏感芯片和声压传感器的信号经过信号调理电路后输出给信号采集与处理系统，信号采集与处理系统包括信号采集模块、信号处理模块以及信号输出模块，用于对两个平行对应的侧面上的两个mems声矢量敏感芯片的振速信号进行采集和计算，获得在x轴、y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量，具体三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法为：
[0027]
采集4个mems声矢量敏感芯片的矢量振速信号，4路矢量振速信号为图4所示。其中，对于矢量声质点振速信号v，在三维空间中的三个轴向分量v
x
，vy，vz，满足以下公式：
[0028][0029]
其中，θ，表示振速信号在三维空间中的水平偏角和仰角。
[0030]
如图4(a)所示，矢量振速信号v在xoz平面上的分量为v
||
，矢量振速信号v在yoz平面上的分量为v
⊥
，四路敏感芯片获得的振速分量分别为v1,v2,v3,v4。如图4(b)所示，振速信号v在xoz平面上的分量v
||
，与x轴的夹角为α，以第一路敏感芯片v1为例，敏感平面上敏感方向与水平方向夹角，即敏感芯片的摆放与x轴的角度是b1。
[0031]
以单个mems声矢量敏感芯片为例，声信号在单芯片敏感平面内各信号分量如图4(b)所示，其中，v
||
和v
⊥
认为是声信号分别在敏感平面xoz和yoz两个面上的分量，则四个mems声矢量敏感芯片在其各自敏感方向的振速分量应为：
[0032][0033]v||
和v
⊥
在其对应的敏感平面内在两个正交的方向轴上存在分量，即x、z(或x、y)两轴的分量应为：
[0034][0035]
由公式1.1和1.3可以进一步变换为：
[0036][0037]
联合公式1.2和1.4，可以得到：
[0038][0039]
进一步地，转换得到：
[0040][0041]
即可通过两片敏感方向相互垂直的mems声矢量敏感芯片获得的声粒子振速信号分量进一步处理后得到声信号在x轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量。
[0042]
同理，另一平行侧面上的mems声矢量敏感芯片通过公式获得y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量。
[0043][0044][0045]
即可得到三维方向即x、y、z三轴向上的信号分量作为输出，进行下一步的信号处理来获得应用。
[0046]
因为xoz面和yoz面均能求解出来z轴方向上的振速分量，理论上二者的值应该相同，但是在实际应用中，受装配等因素的影响，误差会导致二者不完全相同，在信号预处理中，对二者做平均处理，即
[0047][0048]
综上即可得到三维方向即x、y、z三轴向上的信号分量为
[0049][0050]
信号预处理得到的三维空间振速分量作为输出，进行下一步的信号处理来获得应用。
[0051]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

技术特征：
1.一种三维集成mems声矢量传感器的信号处理方法，其步骤包括：1)将4个mems声矢量敏感芯片分别设置在两对平行对应的侧面上，上述两对平行对应的侧面相互垂直，其中，每个侧面上的mems声矢量敏感芯片的敏感平面上敏感方向与水平方向夹角分别是b1，b2，b3，b4，均为任意角度；2)获取一对平行侧面上的两个mems声矢量敏感芯片的振速信号v1和v3，以及在另一平行侧面上的两个mems声矢量敏感芯片的振速信号v2和v4，按照如下公式计算分别得到y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量；2.一种三维集成mems声矢量传感器，其特征在于，包括柱体、mems声矢量集成模块和信号采集与处理系统，其中，mems声矢量集成模块包括声压传感器和4个mems声矢量敏感芯片，4个mems声矢量敏感芯片分别设置在柱体的相互垂直的两对平行侧面上，mems声矢量集成模块同时获得声压和4个mems声矢量敏感芯片的振速信号，信号采集与处理系统，用于对4个mems声矢量敏感芯片的振速信号进行采集和计算，获得在x轴、y轴、z轴方向上的声粒子振速信号分量。3.如权利要求2所述的三维集成mems声矢量传感器，其特征在于，在mems声矢量集成模块内增加一信号调理模块用于对4个mems声矢量敏感芯片输出的信号进行放大滤波处理。4.如权利要求2所述的三维集成mems声矢量传感器，其特征在于，所述柱体的截面为长方形、正方形或八边形。5.如权利要求2所述的三维集成mems声矢量传感器，其特征在于，在mems声矢量敏感芯片上设置保护壳。

技术总结
本发明公开了一种三维集成MEMS声矢量传感器的信号处理方法及装置，属于三维空间中声音信号技术领域。本发明利用在两对平行对应的侧面上摆放MEMS声矢量敏感芯片，4个MEMS声矢量敏感芯片的敏感方向和水平方向可以是任意角度，通过对这4路矢量振速信号进行解算，从而获得三维空间中声音信号分布。本发明与传统的正交结构相比，可以减小因MEMS声矢量敏感芯片不共点带来的指向性不对称问题，降低了轴向灵敏度的不对称性，同时也为后端的共点校正提供的可能性。除此之外，因为MEMS声矢量敏感芯片可以任意角度摆放，可以减少装配时因芯片摆放角度误差带来的问题。角度误差带来的问题。角度误差带来的问题。


技术研发人员：马利豪 周聪 杨振川 高成臣 郝一龙
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/25