本公开涉及声探测与声定位技术领域，尤其涉及一种可穿戴声探测与声定位头盔。
背景技术：
声探测与声定位技术是一种全方位无源被动式探测技术，不受烟雾、光照、遮蔽物等影响，具有功耗低、安全可靠、全天候工作等优点，在环境、医疗、工业、交通、治安、军事等多个领域具有重要应用，包括：环境噪声监测、智能机器人听觉、激光加工过程监测、旋转机械运行状态检测、地下管道泄漏探测、直升机/无人机/火炮/子弹等低小慢目标的探测与跟踪。声探测与声定位技术涉及声学、电子学、传感器技术、信号处理技术、计算机算法等多个学科和多种技术，是一种典型的多学科高度交叉融合的技术，已经获得国内外高度重视。
国内外现有的声探测与声定位装备主要是支架式结构，由多个分立的声传感器单元按照一定的空间排布固定在特制的刚性支架上构成。这种支架式声探测与声定位系统体积大、功耗高、集成度低、隐蔽性差，功能单一，使用时需要车载或固定于地面，不适合个人携带，更不具有可穿戴性。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔，包括：硬质头盔，用于穿戴于人体头部；至少3个声音传感元件，安装于硬质头盔上，每个声音传感元件对应一个位于硬质头盔上的声音采集位置，用于感测声源在各声音采集位置处产生的声波信号并转化为光/电信号，各声音采集位置共同形成平面阵或三维阵；以及信号处理芯片，安装于硬质头盔上，并连接至声音传感元件，用于对声音传感元件的光/电信号进行处理运算，以获取声源的频率和方位信息。
在本公开的一些实施例中，声音传感元件个数为3个，其对应的声音采集位置形成一锐角三角形；或者声音传感元件的个数为4个，其对应的声音采集位置形成一四面体，并且任意三个声音采集位置形成一锐角三角形。
在本公开的一些实施例中，锐角三角形为等腰锐角三角形。
在本公开的一些实施例中，任意两个声音采集位置间的距离大于硬质头盔的最大直径的一半。
在本公开的一些实施例中，声音传感元件为分立式声传感器，分别安装于硬质头盔的外侧或内侧，其安装位置即为声音采集位置；或者声音传感元件为声传感器阵列芯片中的声传感阵元，声传感器阵列芯片安装于硬质头盔的外侧或内侧，每个声传感阵元通过声波导管连接至对应的声音采集位置。
在本公开的一些实施例中，当分立式声传感器或声传感器阵列芯片安装于硬质头盔的内侧时，在声音采集位置处设置若干入声孔。
在本公开的一些实施例中，在若干入声孔的外侧设置有集声结构。
在本公开的一些实施例中，集声结构呈喇叭形，其收缩部围设于若干入声孔处，其扩张部远离若干入声孔。
在本公开的一些实施例中，分立式声传感器为电容式声传感器、压电式声传感器、动圈式声传感器或光学式声传感器；光学式声传感器为光纤声传感器、光栅声传感器或光mems声传感器。
在本公开的一些实施例中，声传感阵元为电容式声传感阵元、压电式声传感阵元或光学式声传感阵元；光学式生传感阵元为光纤声传感阵元、光栅声传感阵元或光mems声传感阵元。
在本公开的一些实施例中，声传感器阵列芯片与信号处理芯片为单片集成。
在本公开的一些实施例中，声波导管为金属材质或柔性材质，其中：金属材质包括铜、铝和铝合金中的一种；柔性材质包括塑料、橡胶、硅橡胶和聚四氟乙烯中的一种。
在本公开的一些实施例中，信号处理芯片还用于进行以下处理：在无异常声信号时，其中一个声音传感元件处于工作状态，其余声音传感元件处于待机模式；以及在该声音传感元件检测到异常声信号时，控制唤醒其他处于待机模式的声音传感元件进行感测。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开可穿戴声探测与声定位头盔至少具有以下有益效果其中之一：
(1)与传统的支架式声探测与声定位系统相比，将声音传感元件与信号处理芯片高度集成在头盔中，形成小型化、轻量化，可穿戴性好、能够增强人体听觉的个人设备，应用前景广阔。
(2)将声音传感元件与信号处理芯片高度集成在头盔中，使用更加灵活，可装备数量多，可应用范围广，便于构建随时随地覆盖个人团队的大面积、可移动、无遗漏的声探测与声定位网络。
(3)将声音传感元件之间的间距限制在头盔的直径范围内，甚至将声音传感元件集成在一处，使各声音传感元件所处环境相近，受环境影响差异更小，实现更高的定位精度。
附图说明
图1为本公开第一实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
图2为本公开第二实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
图3为本公开第三实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
图4为本公开第四实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
图5为本公开第五实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
图6为本公开第六实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-硬质头盔；
21、22、23、24-声传感器；
30-信号处理芯片；
41、42、43、44-信号传输线；
51、52、53、54-入声孔；
61、62、63、64-集声结构；
70-声传感器集成结构；
81、82、83、84-声波导管。
具体实施方式
本公开提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔，将多个声音传感元件和信号处理芯片集成于硬质头盔中，形成小型化、轻量化，可穿戴性好、能够增强人体听觉的个人设备，应用前景广阔。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
第一实施例：
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图1为本公开第一实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图1所示，本公开可穿戴声探测与声定位头盔包括：硬质头盔10、3个声传感器(21、22和23)和信号处理芯片30。
以下分别对本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的各个组成部分进行详细描述。
硬质头盔10可穿戴于人体头部，在硬质头盔10的外侧安装声传感器21、声传感器22和声传感器23，每个声传感器的安装位置即为声音采集位置，分别在各声音采集位置处感测声源产生的声波信号并转化为光/电信号。
三个声音采集位置构成一个锐角三角形，基于声达时间差原理对声源进行定位计算，即结合不同声音采集位置处接收的声源信号的时延差以及三个声音采集位置，计算得到声源的方位，由于该定位计算方法为本领域中常规技术，故在此不作赘述。优选地，该锐角三角形为等腰锐角三角形，以尽量增加声音采集位置之间的距离，进而使时延差越大，定位效果越好；更为优选地，该锐角三角形任意一边的长度大于硬质头盔10的最大直径的一半，以尽量增加声音采集位置之间的距离。
在不同的实施例中，声传感器21、声传感器22和声传感器23可以为电容式声传感器、压电式声传感器、动圈式声传感器和光学式声传感器中的一种。其中光学式声传感器可以是光纤声传感器、光栅声传感器和光mems声传感器中的一种。
信号处理芯片30安装于硬质头盔10的外侧，并分别通过信号连接线41、信号连接线42和信号连接线43，连接至声传感器21、声传感器22和声传感器23，用于对三个声传感器的电信号进行处理运算，最终获取声源的频率和方位等信息。
信号连接线41、信号连接线42和信号连接线43固定在硬质头盔1的外侧，每个声传感器至少配置一根信号连接线，其根据声传感器的种类不同，可以是电线、光纤等。
本实施例可穿戴声探测与声定位头盔在使用时，信号处理芯片30还用于进行以下处理：在无异常声信号时，其中一个声音传感元件处于工作状态，其余声音传感元件处于待机模式；以及在该声音传感元件检测到异常声信号时，控制唤醒其他处于待机模式的声音传感元件进行感测。
至此，本公开第一实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
第二实施例：
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图2为本公开第二实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图2所示，与第一实施例的可穿戴声探测与声定位头盔相比，本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的区别在于：
将声传感器21、声传感器22和声传感器23安装于硬质头盔10的内侧，信号处理芯片30安装于硬质头盔10的内侧，并通过在硬质头盔10内部固定的信号连接线41、信号连接线42和信号连接线43分别连接至声传感器21、声传感器22和声传感器23。将声传感器和信号处理芯片30安装于硬质头盔10内部，声传感器和信号处理芯片就能够受到硬质头盔的保护，外部环境变化对声传感器和信号处理芯片的影响就会减弱。
在硬质头盔上位于声传感器21、声传感器22和声传感器23的安装位置处分别设置有若干入声孔51、若干入声孔52和若干入声孔53，以使声信号能顺利被声传感器接收，对于入声孔51、入声孔52和入声孔53的具体数量并无特别限制。
至此，本公开第二实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
第三实施例：
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图3为本公开第三实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图3所示，与第二实施例的可穿戴声探测与声定位头盔相比，本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的区别在于：
在若干入声孔51、若干入声孔52和若干入声孔53的外侧分别设置集声结构61、集声结构62和集声结构63，三个集声结构用于将声波更高效地引入声传感器中，均呈喇叭形，其收缩部围设于对应的若干入声孔处，扩张部远离对应的若干入声孔。
至此，本公开第三实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
第四实施例：
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图4为本公开第四实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图4所示，与第一实施例的可穿戴声探测与声定位头盔相比，本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的区别在于：
在硬质头盔10的外侧分布式安装有四个声传感器，分别为声传感器21、声传感器22、声传感器23和声传感器24，四个声传感器的安装位置即为四个声音采集位置，形成了一个四面体结构，其中任意三个声音采集位置构成一个锐角三角形，基于声达时间差原理对声源进行定位计算，增加声传感器的个数可提高声源定位的精度，但越多的声传感器也意味着计算量和成本的增加。优选地，该锐角三角形为等腰锐角三角形，以尽量增加声音采集位置之间的距离，进而使时延差越大，定位效果越好；更为优选地，该四面体任意一边的长度大于硬质头盔10的最大直径的一半，以尽量增加声音采集位置之间的距离。
四个声传感器分别通过信号传输线41、信号传输线42、信号传输线43和信号传输线44连接至信号处理芯片30。
至此，本公开第四实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
第五实施例：
在本公开的第五个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图5为本公开第五实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图5所示，与第一实施例至第四实施例的可穿戴声探测与声定位头盔相比，本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的区别在于：
不同于第一实施例至第四实施例中使用分立式声传感器，本实施例使用声传感器阵列芯片中的声传感阵元作为声音传感元件，将声传感器阵列芯片与信号处理芯片30共同安装在声传感器集成结构70中，实现了高度集成化，形成小型化、轻量化的穿戴式设备。
具体地，将四个声传感阵元分别通过声波导管81、声波导管82、声波导管83和声波导管84连接至对应的四个声音采集位置，该四个声音采集位置同第四实施例，形成了一个四面体结构，其中任意三个声音采集位置构成一个锐角三角形，基于声达时间差原理对声源进行定位计算。声波导管81、声波导管82、声波导管83和声波导管84均固定在硬质头盔10的内侧，其第一端均连接至声传感阵元，第二端均位于声音采集位置处，用于将声音采集位置处的声波信号分别引入集成在声传感器集成结构70中的声传感阵元。
同样地，在四个声音采集位置处分别设置入声孔51、入声孔52、入声孔53和入声孔54，以使声信号能顺利被声波导管接收并传递，在本实施例中，入声孔51、入声孔52、入声孔53和入声孔54的数量分别设置1个，当然并不局限于此。
声波导管81、声波导管82、声波导管83和声波导管84可以是金属材质，金属可以是铜、铝和铝合金中的一种，也可以是柔性材质，柔性材料可以是塑料、橡胶、硅橡胶和聚四氟乙烯中的一种。每一根声波导管要求规格相同，口径相等，长度相等，或者按照预设值选取不同的长度。也就是说声波从每一个声音采集位置经声波导管到达相应的声传感阵元所用的时间相等，声波导管本身没有引入额外的时间差。
至此，本公开第五实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
第六实施例：
在本公开的第六个示例性实施例中，提供了一种可穿戴声探测与声定位头盔。图6为本公开第六实施例中可穿戴声探测与声定位头盔的结构示意图。如图6所示，与第五实施例的可穿戴声探测与声定位头盔相比，本实施例可穿戴声探测与声定位头盔的区别在于：
在入声孔51、入声孔52、入声孔53和入声孔54分别设置集声结构61、集声结构62、集声结构63和集声结构64，四个集声结构用于将声波更高效地引入声波导管中，其均呈喇叭形，收缩部围设于对应的入声孔处，扩张部远离对应的入声孔。
至此，本公开第六实施例可穿戴声探测与声定位头盔介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)第四实施例中还可将声传感器安装于硬质头盔的内侧，并在安装位置处设置若干入声孔和集声结构；
(2)第五实施例中还可以将声传感器阵列芯片和信号处理芯片进行单片集成，进一步实现小型化、轻量化。
(3)还可以使用四个以上的声音传感元件，以提高定位精度。
(4)还可以将声音传感元件与信号处理芯片分别安装在硬质头盔内外两侧的不同侧面，以充分利用硬质头盔的内外表面，抑制器件安装在头盔同一侧时可能产生的相互干扰。
综上所述，本公开提供一种可穿戴声探测与声定位头盔，将声音传感元件和信号处理芯片高度集成在硬质头盔中，并进一步限定了声音传感元件在硬质头盔中的分布形式，可提高定位精度。
还需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。