一种基于压电效应的声音获取方法及装置

本发明涉及声音感知的，尤其涉及一种基于压电效应的声音获取方法及装置。

背景技术：

1、物联网的快速发展使得越来越多的传感器部署到人们的日常生活场景中，为了实现形形色色的人机交互方式奠定了基础。声学传感器作为捕捉声音的重要传感器，也在物联网人机交互等方面发挥着基础性作用。

2、目前的声音传感器主要有声电转换模块和电信号采集模块构成，其中的声电转换模块负责进行声信号到电信号的转换，而电信号进一步由模数转换器等电信号采集模块进行采集，完成对声音信号的捕捉。其中，电信号采集模块需要通过电路与声电转换模块进行物理连接才能实现对电信号的采集。为了降低功耗和硬件成本，声电转换单元和电信号采集单元往往可以集成到同一模块中完成声音信号采集的功能，且每一个模块需要单独供电。

3、实际声音获取的过程中，声电转换模块和电信号采集模块间形成物理连接才能实现对声音信号的捕获，同时电路连接使得声电转换模块需要和电信号采集模块在同一设备上部署，极大限制了设备部署的灵活性，另一方面，尽管声电转换单元和电信号采集单元可以集成到同一模块中以实现低功耗和低成本，但是每个单元却仍需要单独的供电才可以正常工作，对于需要部署多个声音传感器的场景，无异增加了功耗与硬件成本。

4、专利文献cn115002630a公开了麦克风组件以及电子设备，包括基板组件，基板组件上设有进声孔；壳体，与基板组件相连，壳体与基板组件限定出后腔；声电转换装置，设于后腔内并与基板组件间限定出前腔，声电装换装置至少包括振膜，振膜将前腔和后腔隔开；其中，在壳体上和/ 或基板组件上设有泄气通道，泄气通道连通后腔和壳体的外部。该方法可以有效的减少振膜损伤的概率。

5、专利文献cn113596690a公开了一种新型压电式mems麦克风的结构及装置，该结构通过第一电极层、压电结构层和第二电极层在声音信号的作用下，进行振动，使得第一电极层和第二电极层上的电荷量发生改变，即麦克风结构的输出电信号发生改变，通过对输出电信号进行检测，可以得到准确的声音信号。利用集成在薄膜硅材料表面的压电材质进行能量转换。当薄膜受到气流压迫式，薄膜进行形变并带动压电材质产生形变，压电材质在物理特性改善时产生电信号进行输出。该方法需要依靠物理连接方式，将声电转换装置与压电材质进行连接，从而实现该声电转换的声音输出。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单，使用方便的声音获取方法，该方法无需依靠物理连接的方式传输声电信号，在降低硬件成本和功耗的条件下，可以实现高质量声音的获取工作。

2、一种基于压电效应的声音获取方法，包括：

3、步骤1、采集至少一个周期由无源压电材料反射的毫米波回波信号；

4、步骤2、对所述毫米波回波信号以时间轴序列解调获得拍频信号集合，并对所述拍频信号集合逐个进行傅里叶变换，获得包含声音波形的频谱集合；

5、步骤3、获取所述频谱集合中无源压电材料对应的频点信息集合，并根据时间轴序列对频点信息集合进行归一化处理，获得用于生成声音的声音波形。

6、本发明通过调频连续波雷达波来对压电材料进行感知，由于压电材料无需供电即可完成声电信号的转化，且压电材料可选用柔性压电薄膜材料，使其部署更为灵活，同时由于调频连续波雷达可同时对空间中部署的多个压电材料进行感知，相当于采用单个采集单元同时对多个声电转换单元进行采集，从而实现在非视距场景下的声音获取。

7、具体的，所述非视距场景包括做好隔音处理的录音棚，禁止电源设备进入的实验室。

8、具体的，在步骤1中，采用调频连续波雷达进行毫米波的发射与接收。

9、具体的，所述调频连续波雷达发射的毫米波频段为77ghz～81ghz。

10、具体的，在步骤2中，所述毫米回波信号的解调通过毫米回波信号的反射系数与拍频信号之间的函数关系实现，所述函数关系的表达式如下：

11、

12、式中，d0为雷达到无源压电材料的直线距离，λ为毫米波雷达所发射调频连续波的起始频率所对应的波长，为反射系数的相位，为拍频信号的相位。

13、具体的，在步骤2中，所述拍频信号集合按照接收对应的毫米波回波的时间轴顺序排列。

14、优选的，所述频点信息包括局部峰值所对应频点的幅值和相位。

15、具体的，在步骤3中归一化处理过程如下：

16、a′＝a-mean(a)

17、

18、式中，a为幅值序列或相位序列，mean()为取序列均值操作，abs() 为取序列各点绝对值操作，max()为取序列最大值操作。

19、本发明还提供了一种声音获取装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述基于压电效应的声音获取方法，其具体步骤如下：获取由无源压电材料反射的毫米波回波信号，根据声音获取方法对毫米波回波信号进行处理，输出用于生成声音的声音波形。

20、具体的，所述声音获取装置包括：

21、声电转换单元，包括无源压电材料，根据无源压电材料的特性将周围声压变化转换成反射系数变化；

22、采集单元，包括调频连续波雷达，用于信号的发送与接收工作；

23、提取单元，对采集单元获得信号进行数据处理，并对处理后的数据进行归一化获得对应的声音波形。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果：

25、(1)采用无源压电材料作为声源获取设备，无需额外的物理连接设备，布置方便且成本低。

26、(2)由于所用到的调频连续波为电磁波，可以轻易穿透木板、玻璃以及干式墙等常见建筑材料，因此可以在存在视觉遮挡的非视距场景下实现对声波的捕获。

技术特征：

1.一种基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，在步骤1中，采用调频连续波雷达进行毫米波的发射与接收。

3.根据权利要求2所述的基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，所述调频连续波雷达发射的毫米波频段为77ghz～81ghz。

4.根据权利要求1所述的基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，在步骤2中，所述毫米回波信号的解调通过毫米回波信号的反射系数与拍频信号之间的函数关系实现，所述函数关系的表达式如下：

5.根据权利要求1所述的基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，在步骤2中，所述拍频信号集合按照接收对应的毫米波回波的时间轴顺序排列。

6.根据权利要求1所述的基于压电效应的声音获取方法，其特征在于，在步骤3中，所述频点信息包括局部峰值所对应频点的幅值和相位。

7.一种声音获取装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现如权利要求1～6任一所述的基于压电效应的声音获取方法，其具体步骤如下：获取由无源压电材料反射的毫米波回波信号，根据声音获取方法对毫米波回波信号进行处理，输出用于生成声音的声音波形。

8.根据权利要求7所述的声音获取装置，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于压电效应的声音获取方法，包括：步骤1、采集至少一个周期由无源压电材料反射的毫米波回波信号；步骤2、对所述毫米波回波信号以时间轴序列解调获得拍频信号集合，并对所述拍频信号集合逐个进行傅里叶变换，获得包含声音波形的频谱集合；步骤3、获取所述频谱集合中无源压电材料对应的频点信息集合，并根据时间轴序列对频点信息集合进行归一化处理，获得用于生成声音的声音波形。

技术研发人员：林峰,王超,刘天天,刘子威,沈轶杰,任奎
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13