CN112335261B - 图案形成麦克风阵列 - Google Patents

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Abstract

实施例包括具有多个麦克风元件的麦克风阵列，所述麦克风元件包含：第一组元件，其沿第一轴布置，其包含间隔开第一距离的至少两个麦克风元件；第二组元件，其沿所述第一轴布置，其包含间隔开较大的第二距离的至少两个麦克风元件，使得所述第一组嵌套在所述第二组内；第三组元件，其沿正交于所述第一轴的第二轴布置，其包含间隔开所述第二距离的至少两个麦克风元件；及第四组元件，其沿所述第二轴嵌套在所述第三组内，其包含间隔开所述第一距离的至少两个麦克风元件，其中每一组包括间隔开指定距离的第一集群的麦克风元件及第二集群的麦克风元件。

Description

图案形成麦克风阵列
相关申请案的交叉引用
本申请案要求2018年6月1日申请的第62/679,452号美国临时申请案的优先权，所述案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案大体上涉及麦克风阵列。特定来说，本申请案涉及一种可配置以形成一或多个期望极性图案的麦克风阵列。
背景技术
一般来说，麦克风可具有各种尺寸、形状因子、安装选项及布线选项以适应给定应用的需要。存在若干不同类型的麦克风及相关换能器，举例来说，例如动态、晶体、电容器(condenser)/电容器(capacitor)(外部偏置及驻极体)、微机电系统(“MEMS”)等，每一者取决于应用具有其优点及缺点。不同麦克风可经设计以产生不同极性响应图案，包括(例如)全向、心形、次心形、超级心形、超心形及双向。针对特定麦克风(或包括在其中的麦克风匣)选择的极性图案可取决于(例如)音频源所在的位置、排除非所要噪声的期望及/或其它考虑。
在会议环境(例如会议室、视频会议设置及其类似者)中，一或多个麦克风用于从多个音频源捕获声音。例如，音频源可包括室内人类扬声器，且在一些情况下，例如，用于播放从不在室内的人类扬声器接收的音频的扩音器。所捕获的声音可通过环境中的扩音器、电视广播、网络广播、电话等传播给听众。麦克风的类型及其在特定会议环境中的放置可取决于音频源的位置、扩音器、物理空间要求、美学、房间布局及/或其它考虑。例如，在一些环境中，麦克风可放置在音频源附近的桌子或讲台上。在其它环境中，例如，麦克风可安装在头顶以捕获来自整个房间的声音。
一些现有会议系统利用可定位在表面(例如，桌子)上或表面中的边界麦克风及按钮麦克风。此类麦克风通常包括多个匣，使得麦克风可具有多个独立极性图案以捕获来自多个音频源(例如，坐落在桌子的不同侧处的人类扬声器)的声音。其它此类麦克风可包括多个匣，使得可通过适当地处理来自每一匣的音频信号来形成各种极性图案，因此消除对于物理地交换匣以获得不同极性图案的需要。对于这些类型的麦克风，虽然理想的是将多个匣共同定位在麦克风内，使得每一匣在相同时刻检测环境中的声音，然而，物理上不可能如此。因而，这些类型的麦克风可能不均匀地形成所期望的极性图案且可能归因于频率响应不规则性以及匣内及匣之间的干扰及反射而无法理想地捕获声音。
在大多数会议环境中，期望麦克风具有环形极性图案，所述环形极性图案在麦克风的平面中是全向的，在垂直于所述平面的轴中具有零点。例如，定位在会议桌上的环形麦克风可经配置以检测沿桌子的平面的所有方向上的声音，但最小化麦克风上方(例如，在指向天花板及/或远离桌子的方向上)的声音的检测。然而，具有环形极性图案的现有麦克风可能在物理上较大，具有高的自噪声，需要复杂处理，及/或在全频率范围(例如，100Hz到10kHz)上具有不一致极性图案。
微机电系统(“MEMS”)麦克风或具有MEMS元件作为核心换能器的麦克风归因于其小封装尺寸(例如，允许整体较低轮廓装置)及高性能特性(例如，高信噪比(“SNR”)、低功耗、良好灵敏度等)而变得越来越流行。另外，MEMS麦克风大体上比(例如)在许多现有边界麦克风中找到的驻极体或电容式麦克风匣更容易组装及可以更低成本获得。然而，归因于MEMS麦克风封装的物理约束，常规MEMS麦克风的极性图案固有地是全向的，这意味着麦克风对来自任何及所有方向的声音同样敏感，而不管麦克风的取向如何。特别对于会议环境来说，这可能不太理想。
用于使用MEMS麦克风获得方向性的一种现有解决方案包括将多个麦克风以阵列配置放置及应用适当波束形成技术(例如，信号处理)以产生所期望方向响应，或产生对来自一或多个特定方向的声音比来自其它方向的声音更敏感的波束图案。取决于麦克风相对于彼此的放置及声波的到达方向，此类麦克风阵列可具有不同配置及频率响应。例如，宽边麦克风阵列包括垂直于声音到达的优选方向而布置的一行麦克风。通过简单地将所得麦克风信号相加在一起来获得此类阵列的输出，因此产生平坦的轴上响应。
作为另一实例，端射阵列包括与所期望的声音传播方向成直列式布置的多个麦克风。在差分端射阵列中，例如，由阵列中的前麦克风(即，通过轴上传播的声音到达的第一麦克风)捕获的信号与由阵列中的后麦克风(即，与前麦克风相对而定位)捕获的信号的反相及延迟版本相加以产生心形、超级心形或超心形拾音图案。在此类情况下，来自阵列后部的声音被大大或完全衰减，而来自阵列前部的声音几乎没有或无衰减。差分端射阵列的频率响应不是平坦的，因此通常将均衡滤波器应用于差分波束形成算法的输出以使响应平坦化。虽然MEMS麦克风端射阵列目前正在使用，明确来说用在手机及听力保健行业，但现有产品不提供会议平台所需的高性能特性(例如，最大信噪比(SNR)、平面定向拾音、宽带音频涵盖等)。
因此，仍需一种能够形成一或多个定向极性图案的低轮廓、高性能麦克风阵列，所述极性图案可与非所要环境声音隔离，以便提供适于会议应用的完整、自然发声的语音拾音。
发明内容
本发明希望通过提供麦克风阵列来解决上文所提及的及其它问题，所述麦克风阵列经设计以尤其提供(1)至少一个线性麦克风阵列，其包含嵌套在一或多个其它组内的一或多组麦克风元件，每一组包括间隔开经选择以涵盖所期望操作频带的距离的至少两个麦克风；(2)波束形成器，其经配置以产生具有所期望定向极性图案(例如，环形、心形等)的线性阵列的组合输出信号；及(3)适于会议环境的高性能特性，例如高度定向极性图案、高信噪比(SNR)、宽带音频涵盖等。
例如，一个实施例包括具有多个麦克风元件的麦克风阵列，所述多个麦克风元件包含：第一组元件，其沿第一轴布置且包含彼此间隔开第一距离的至少两个麦克风元件；及第二组元件，其沿所述第一轴布置且包含彼此间隔开第二距离的至少两个麦克风元件，所述第二距离大于所述第一距离，使得所述第一组嵌套在所述第二组内，其中所述第一距离经选择用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二距离经选择用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作。
另一实例实施例包括组装麦克风阵列的方法，所述方法包含：沿第一轴形成第一组麦克风元件，所述第一组包括彼此间隔开第一距离的至少两个麦克风元件；沿所述第一轴形成第二组麦克风元件，所述第二组包括彼此间隔开第二距离的至少两个麦克风元件，所述第二距离大于所述第一距离，使得所述第一组嵌套在所述第二组内；及将每一麦克风元件电耦合到至少一个处理器用于处理由所述麦克风元件捕获的音频信号，其中所述第一距离经选择用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二距离经选择用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作。
示范性实施例还包括麦克风系统，其包含：麦克风阵列，其包括耦合到支撑件的多个麦克风元件，所述多个麦克风元件包含沿所述支撑件的第一轴布置的第一组元件及第二组元件，所述第一组嵌套在所述第二组内，其中所述第一组包括彼此间隔开第一距离的至少两个麦克风元件，所述第一距离经选择以配置所述第一组用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二组包括彼此间隔开大于所述第一距离的第二距离的至少两个麦克风元件，所述第二距离经选择以配置所述第二组用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作；存储器，其经配置以存储用于处理由所述多个麦克风元件捕获的音频信号并基于其产生输出信号的程序代码；及至少一个处理器，其与所述存储器及所述麦克风阵列通信，所述至少一个处理器经配置以响应于从所述麦克风阵列接收音频信号而执行所述程序代码，其中所述程序代码经配置以：从所述麦克风阵列的每一麦克风元件接收音频信号；对于沿所述第一轴的每一组元件，组合所述组中所述麦克风的所述音频信号以产生具有定向极性图案的组合输出信号；且组合所述第一组及所述第二组的所述组合输出信号以产生所述第一轴上所有所述麦克风元件的最终输出信号。
另一示范性实施例包括由一或多个处理器执行以产生麦克风阵列的输出信号的方法，所述麦克风阵列包含耦合到支撑件的多个麦克风元件。所述方法包含：接收来自所述多个麦克风元件的音频信号，所述多个麦克风元件包含沿所述支撑件的第一轴布置的第一组元件及第二组元件，所述第一组嵌套在所述第二组内，其中所述第一组包括彼此间隔开第一距离的至少两个麦克风元件，所述第一距离经选择以配置所述第一组用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二组包括彼此间隔开大于所述第一距离的第二距离的至少两个麦克风元件，所述第二距离经选择以配置所述第二组用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作；对于沿所述第一轴的每一组元件，组合所述组中所述麦克风元件的所述音频信号以产生具有定向极性图案的组合输出信号；及组合所述第一组及所述第二组的所述组合输出信号以产生所述第一轴上所有麦克风元件的最终输出信号。
将从以下具体实施方式及附图明白且更全面地理解这些及其它实施例及各种置换及方面，所述具体实施方式及附图阐述指示可利用本发明原理的各种方式的说明性实施例。
附图说明
图1是说明根据一或多个实施例的示范性麦克风阵列的示意图。
图2是说明根据一或多个实施例的用于图1的麦克风阵列的设计考虑的示意图。
图3是说明根据一或多个实施例的另一示范性麦克风阵列的示意图。
图4是说明根据一或多个实施例的又另一示范性麦克风阵列的示意图。
图5是根据一或多个实施例的示范性麦克风系统的框图。
图6是说明根据一或多个实施例的用于组合由给定组麦克风元件捕获的音频信号的示范性图案形成波束形成器的框图。
图7是说明根据一或多个实施例的用于组合从嵌套组麦克风元件接收的音频输出的示范性图案组合波束形成器的框图。
图8是说明根据一或多个实施例的由音频处理器执行以产生具有用于包含至少一个线性嵌套阵列的麦克风阵列的定向极性图案的波束形成输出信号的示范性方法的流程图。
图9是根据一或多个实施例的示范性麦克风阵列的频率响应曲线图。
图10是根据一或多个实施例的示范性麦克风阵列的噪声响应曲线图。
具体实施方式
以下描述根据本发明的原理描述、说明及举例说明本发明的一或多个特定实施例。提供本说明书并非将本发明限制于本文中所描述的实施例，而是以此方式解释及教导本发明的原理以使得所属领域的一般技术人员能够理解这些原理，且根据所述理解能够将其应用在不仅实践本文中所描述的实施例，而且还应用在根据这些原理可能想到的其它实施例。本发明的范围希望涵盖可在字面上或在等同原则下落于随附权利要求书的范围内的所有此类实施例。
应注意，在描述及图式中，相同或基本上类似的元件可用相同元件符号标记。然而，有时这些元件可用不同数字标记，例如，在其中此标记有助于更清楚描述的情况下。另外，本文中所阐述的图式并不一定按比例绘制，且在一些情况下，可夸大比例以更清楚地描绘某些特征。这些标记及图式实践并不一定表示潜在实质性目的。如上文所述，本说明书希望作为整体且根据本文中所教导且所属领域的一般技术人员所理解的本发明的原理来解释。
本文提供用于高性能麦克风的系统及方法，所述麦克风包含具有多对(或组)麦克风元件的至少一个线性阵列，所述多对(或组)麦克风元件间隔开指定距离且以嵌套配置布置以实现所期望操作频带的涵盖、高信噪比(SNR)及定向极性图案。示范性实施例还包括具有至少两个正交线性阵列的麦克风，所述正交线性阵列具有共享中心且在每一轴上对称放置的麦克风元件以产生平面定向拾音图案。实施例进一步包括线性阵列，其中所述麦克风对(或组)中的至少一者包含间隔开集群的两个或更多个麦克风元件以产生具有经改进SNR的更高灵敏度的麦克风。在优选实施例中，麦克风元件是MEMS换能器或其它全向麦克风。这些及其它阵列形成特征在本文中特别关于图1到4更详细地描述。
实施例还包括一或多个波束形成器，其用于组合给定轴上的每一组麦克风元件的极性图案且接着使各组的组合输出相加以获得具有定向极性图案(例如，心形等)的最终输出。在正交线性阵列的情况下，波束形成器可组合每一轴的最终输出以实现平面定向拾音(例如，环形等)。在一些实施例中，一或多个波束形成器使用交叉滤波以将每一组麦克风元件隔离到其最佳频带(或范围)且接着将每一组的输出相加或缝合在一起以获得涵盖所有或大多数可听带宽(例如，20Hz到20kHz)且具有比(例如)个别麦克风元件的SNR更高的SNR的所期望频率响应。这些及其它波束形成技术在本文中特别关于图5到8更详细地描述。
图1说明根据实施例的示范性麦克风100，其包含可检测来自一或多个音频源的在各种频率下的声音的麦克风阵列。麦克风100可用于会议环境中，例如会议厅、会议室或其中音频源包括一或多个人类扬声器的其它会议室。在环境中可存在可能不期望的其它声音，例如来自通风设备、其它人、音频/视觉设备、电子装置等的噪声。在典型情况下，音频源可坐落在桌子处的椅子中，然而音频源的其它配置及放置是可考虑且可行的，包括(例如)围绕房间移动的音频源。麦克风100可放置在桌子、讲台、桌面等上以便检测及捕获来自音频源的声音，例如人类扬声器说出的语音。
麦克风100的麦克风阵列包含多个麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b，其可形成多个拾音图案用于最佳地检测及捕获来自所述音频源的声音。在图1中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b大体上沿麦克风100的长度以线性方式布置。在实施例中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可沿麦克风100的共同轴(例如第一轴108)安置。在所说明的实施例中，第一轴108与麦克风100的x轴重合，所述x轴穿过或在共同中心点(或中点)处与麦克风100的y轴(例如，第二轴110)相交。在其它情况下，第一轴108可平行于x轴且垂直地偏离麦克风100的中心点(例如，在中心上方或下方)。在其它情况下，第一轴108可相对于x轴及y轴两者成角度以便在其间形成对角线(参见(例如)图3)。在一些情况下，麦克风阵列包括沿麦克风100的y轴(例如，第二轴110)而非第一轴108布置的麦克风元件(未展示)。
尽管图1展示六个麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b，但其它数量(例如，更多或更少)个麦克风元件是可行且可考虑的，例如，如图3及4中所展示。可由麦克风100形成的极性图案可包括全向、心形、半心形、超级心形、超心形、双向及/或环形。在一些实施例中，麦克风100的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b中的每一者可为具有固有全向极性图案的MEMS(微机电系统)换能器。在其它实施例中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可具有其它极性图案，可为任何其它类型的全向麦克风，及/或可为电容式麦克风、动态麦克风、压电麦克风等。在其它实施例中，本文中所描述的布置及/或处理技术可应用于包含其中期望方向性的全向换能器或传感器(例如，声纳阵列、射频应用、震测装置等)的其它类型的阵列。
麦克风100中的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b中的每一者可检测声音并将声音转换成音频信号。在一些情况下，音频信号可为数字音频输出。对于其它类型的麦克风元件，音频信号可为模拟音频输出，且麦克风100的组件(例如模数转换器、处理器及/或其它组件)可处理模拟音频信号以最终产生一或多个数字音频输出信号。在一些实施例中，数字音频输出信号可符合用于通过以太网传输音频的Dante标准，或可符合另一标准。在某些实施例中，一或多个拾音图案可由麦克风100的处理器从麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b的音频信号形成，且处理器可产生对应于拾音图案中的每一者的数字音频输出信号。在其它实施例中，麦克风100的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可输出模拟音频信号且麦克风100外部的其它组件及装置(例如，处理器、混频器、记录器、放大器等)可处理模拟音频信号。
麦克风100可进一步包括支撑件112(例如，衬底、印刷电路板、框架等)用于支撑麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b。支撑件112可具有任何尺寸或形状，包括(例如)矩形(例如，图1)、方形(例如，图3)、圆形(例如，图4)、六边形等。在一些情况下，支撑件112可经定尺寸及定形状以满足预先存在的装置外壳的约束及/或实现所期望的性能特性(例如，选择操作频带、高SNR等)。例如，麦克风阵列的最大宽度及/或长度可由装置外壳的总宽度确定。
在实施例中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b中的每一者机械地及/或电耦合到支撑件112。例如，在PCB的情况下，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可电耦合到支撑件112，且PCB/支撑件112可电耦合到一或多个处理器或其它电子装置用于接收及处理由麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b捕获的音频信号。在一些实施例中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b嵌入支撑件112中或物理上定位在支撑件112上。在其它实施例中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可使用(例如)分别耦合在麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b与支撑件112之间的多个导线从支撑件112悬挂(例如，悬在下方)。在其它实施例中，麦克风100的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b中的每一者可不彼此物理连接或物理连接到特定支撑件，而是可无线连接到处理器或音频接收器以便形成麦克风的分布式网络。在此类情况下，例如，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可个别布置或悬挂在会议环境或桌子内的一或多个表面上。
在图1中，麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b布置在相同平面中且在支撑件112的相同表面或侧上(例如，前表面或顶表面)。在其它实施例中，麦克风100还包括布置在支撑件112的相对侧或表面(例如，后表面或底表面)上(参见(例如)图4)的一或多个麦克风(未展示)，以便增加包括在麦克风阵列中的麦克风元件的总数量及/或使麦克风100能够涵盖更多频带。
在一些实施例中，麦克风100包含沿麦克风100的一或多个其它轴布置(参见(例如)图3)的额外麦克风元件(未展示)。在此类情况下，其它轴(如同第二轴110)(例如)可在麦克风100的中心或中点处与第一轴108相交且可与第一轴108共同位于相同平面中(参见(例如)图3及4)。另外，在具有共享中心的这些其它轴上放置额外麦克风元件可尤其实现或增强取得麦克风100的输出的平面方向性的能力，如本文中所描述。
根据实施例，麦克风100的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b可以由各种组或群组的麦克风元件组成的嵌套配置布置。此配置在图2中进一步说明，图2描绘包含图1中所展示的麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b的麦克风阵列200。如图2中所展示，第一组102(“组1”)包括彼此间隔开第一距离d1的麦克风元件102a及102b，第一距离d1是三个组的最小或最近距离；第二组104(“组2”)包括彼此间隔开第二距离d2的麦克风元件104a及104b，第二距离d2大于第一距离或是三个组的中间或中介距离；及第三组106(“组3”)包括彼此间隔开第三距离d3的麦克风元件106a及106b，第三距离d3大于第二距离或是三个组的最大或最远距离。可通过将组3的麦克风元件106a,b放置在麦克风阵列200的外端处，将组2的麦克风元件104a,b放置或嵌套在组3的麦克风元件106a,b内，且将组1的麦克风元件102a,b放置或嵌套在组2的麦克风元件104a,b内来实现嵌套配置。尽管图1及2中展示三个嵌套群组，但其它数量个嵌套群组(及麦克风元件)是可行且可考虑的(例如，如图3及4中所展示)。例如，嵌套群组的确切数量可取决于麦克风阵列200的所期望操作频带数量及/或装置外壳的物理约束。
根据实施例，可选择给定组102、104或106内的相应麦克风元件之间的距离以最佳涵盖所期望频带或范围(本文中也称为“操作频带”)。特定来说，组1(包括麦克风元件102a,b)可经配置以涵盖第一或较高频带，组2(包括麦克风元件104a,b)可经配置以涵盖第二或中间频带(或范围)，且组3(包括麦克风元件106a,b)可经配置以涵盖第三或较低频带(或范围)。在一些情况下，可选择中间组2中的元件之间的间隔及因此选择由此提供的频带涵盖以桥接由组1涵盖的高频带与由组3涵盖的低频带之间的间隙及/或使麦克风阵列输出的噪声水平保持低。在实施例中，可利用适当波束形成技术来组合不同组1、2及3的输出，使得整个麦克风100实现所期望频率响应，包括(例如)较低噪声特性、较高麦克风灵敏度及离散频带的涵盖，如本文更详细描述。
在所说明的实施例中，嵌套群组102、104、106中的每一者分别包括以线性端射阵列布置的至少一个前麦克风元件102a、104a或106a及至少一个后麦克风元件102b、104b或106b。即，每一组中的麦克风元件与轴上声音传播的方向成直列式布置，使得声音在到达对应的后麦克风元件102b、104b或106B之前到达前麦克风元件102a、104a或106a。归因于此线性配置，由组1、2及3中的每一者中的不同麦克风元件拾取的声音可仅在到达时间方面不同。在实施例中，可将适当波束形成技术应用于麦克风元件102a,b、104a,b、106a,b，使得嵌套组1、2、3中的每一者有效地作为具有所期望方向拾音图案及频率响应特性的独立麦克风阵列操作，如本文中更详细描述(参见(例如)图5到7)。在一些实施例中，取决于麦克风100的设计考虑，“前”及“后”指定可由处理器以编程方式分配。在一个实例实施例中，处理器可将元件102a、104a、106a的“前”取向翻转为“后”且将元件102b、104b、106b的“后”取向翻转为“前”，且同时代表两种配置，因此在两个输出通道上产生两个心形，一个具有从另一个旋转180度的轴上取向。
在图1及2中，嵌套群组102、104、106中的每一者确切地包括两个麦克风元件。在其它实施例中，例如，如图3及4中所展示，嵌套群组中的至少一者包括间隔开指定距离(例如，d1、d2或d3)的两个集群的麦克风，而非图1及2中所展示的个别麦克风元件。在此类情况下，每一集群包括彼此相邻或非常紧密接近而定位的两个或更多个麦克风元件。在实施例中，可使用适当波束形成技术将由每一集群内的麦克风元件捕获的音频信号相加在一起，使得集群有效地作为具有增强SNR特性的单一更高灵敏度麦克风操作，如本文中更详细地描述。
现参考图3，所展示的是根据实施例的示范性麦克风300，其包含分别沿麦克风300的第一轴308(例如，x轴)布置成嵌套对302、304、306的多个麦克风集群302a,b、304a,b、306a,b。集群302a,b、304a,b、306a,b中的每一者包括彼此紧密接近布置的多个麦克风元件310。如所展示，集群302a,b、304a,b、306a,b中的每一者内的麦克风元件310也可绕第一轴308对称地布置。麦克风元件310可电及/或机械地耦合到支撑件311(例如，框架、PCB、衬底等)，支撑件311大体上界定麦克风300的整体尺寸及形状(此处经展示为方形)。在实施例中，麦克风元件310可为MEMS换能器、其它类型的全向麦克风、动态或电容式麦克风、其它类型的全向换能器等。
尽管图3展示两个或四个麦克风元件的集群，但给定集群的其它数量(包括(例如)奇数)个麦克风元件是可行且可考虑的。放置在集群302a,b、304a,b、306a,b中的每一者中的麦克风元件310的确切数量可取决于(例如)空间约束、成本、性能权衡及/或麦克风阵列的给定频带所期望的信号增强量。作为实例，四个麦克风元件的集群可优选用于较低频带，所述四个麦克风元件放置在其中空间充足的麦克风阵列的外边缘上，而两个麦克风元件的集群可优选用于较高频带，所述两个麦克风元件放置成朝向其中空间有限的麦克风阵列的中心。
嵌套对302、304、306(本文中也称为“集群对”)中的每一者包括第一或前集群302a、304a或306a及复制或后集群302b、304b或306b，就其中的麦克风元件310的数量(例如，2个、4个等)及布置(例如，间隔、对称性等)来说，复制或后集群302b、304b或306b分别与对应的第一集群302a、304a或306a相同。进一步来说，在集群对302、304、306中的每一者内，复制集群302b、304b或306b可与对应的第一集群302a、304a或306a间隔开指定距离以便实现选定频带内的最佳麦克风操作，类似于图2的组1、2、3。例如，在一个实施例中，集群302a,b、304a,b及306a,b分别间隔开距离d1、d2及d3，使得第一集群对302形成经配置以涵盖较高频带的麦克风阵列，第二集群对304形成经配置以涵盖中间频带的麦克风阵列，且第三集群对306形成经配置以涵盖较低频带的麦克风阵列。
集群对302、304、306可以嵌套配置布置，类似于图2中所展示的嵌套配置。在所说明的实施例中，麦克风300包括：第一集群对302，其包含间隔开第一或最小距离的麦克风集群302a及302b；第二集群对304，其包含间隔开第二或中介距离的麦克风集群304a及304b；及第三集群对306，其包含间隔开第三或最大距离的麦克风集群306a及306b。可通过将第三集群对306的麦克风集群306a,b放置在第一轴308的外边缘上，将第二集群对304的麦克风集群304a,b放置或嵌套在第三集群对306的集群306a,b之间，及将第一集群对302的麦克风集群302a,b放置或嵌套在第二集群对304的集群304a,b之间来形成嵌套配置。尽管图3中展示沿第一轴308的三个集群对，但其它数量(例如，更少或更多)个集群对是可行且可考虑的。
在一些实施例中，麦克风300进一步包括沿麦克风300的正交于第一轴308的第二轴314布置的第二多个麦克风元件312。麦克风元件312可组织于第一集群对316、第二集群对318及第三集群对320中，第一集群对316、第二集群对318及第三集群对320分别对应于沿第一轴308的第一集群对302、第二集群对304及第三集群对306或是第一集群对302、第二集群对304及第三集群对306的复制。即，第二轴314上的集群316a,b间隔开相同第一距离d1，且分别含有与第一轴308上的集群302a,b相同的麦克风元件312的数量及布置。同样地，第二轴314上的集群318a,b间隔开相同第二距离d2，且分别含有与第一轴308上的集群304a,b相同的麦克风元件312的数量及布置。且第二轴314上的集群320a,b间隔开相同第三距离d3，且分别含有与第一轴308上的集群306a,b相同的麦克风元件312的数量及布置。依此方式，沿第一轴308形成的线性嵌套阵列可叠加到第二轴314上。
在所说明的实施例中，第一轴308的中心与第二轴314的中心对准，且集群对302、304、306、316、318、320中的每一者对称地放置在正交于其的轴(例如，轴314或308)上，或绕所述轴居中。这确保由第一轴308上的麦克风元件310形成的线性麦克风阵列与由第二轴314上的麦克风元件312形成的线性麦克风阵列共享中心或中点。在实施例中，适当波束形成技术可应用于麦克风300的正交线性阵列以产生环形拾音图案及/或形成第一阶极性图案(例如，超心形、超级心形等)且将所述极性图案转到所期望角度以获得平面方向性。例如，虽然沿第一轴308的麦克风元件310可用于产生具有定向极性图案(例如心形拾音图案)的线性阵列，但沿轴308及314的两个正交线性阵列的组合可形成环形拾音图案或平面定向极性图案。在一些实施例中，适当波束形成技术可形成指向朝向每一轴的端部的单向或心形极性图案，或指向四个不同平面方向的总共四个极性图案，以最大化麦克风300周围的所有拾音。在其它实施例中，可通过组合原始四个极性图案且将组合图案转到沿(例如)麦克风100所处的桌子的平面的任何角度来产生额外极性图案。
在一些实施例中，麦克风300进一步包括沿麦克风300的一或多个可选轴(例如，图3中所展示的对角线轴324及326)放置的额外麦克风元件322，以在给定频带内提高SNR或增加麦克风灵敏度或方向性。额外麦克风元件322可经布置为单一元件(未展示)或成集群(例如，集群328a及328b)，如图3中所展示。
现参考图4，所展示的是根据实施例的另一示范性麦克风400，其包含沿第一轴404布置的第一线性麦克风阵列402及沿正交于第一轴404的第二轴408布置的第二线性麦克风阵列406。类似于图3中所展示的麦克风300，正交线性阵列402及406可用于为麦克风400产生平面定向极性图案。还类似于麦克风300，线性麦克风阵列402包括第一轴404上的三个嵌套集群对410、412及414，线性麦克风阵列406包括第二轴408上的三个对应嵌套集群对416、418及420，且包括在其中的所有麦克风元件定位在包括在麦克风400中的支撑件423(例如，框架、PCB、衬底等)的第一侧或表面422上。麦克风元件可电及/或机械地耦合到支撑件423，其大体上界定麦克风400的整体尺寸及形状(此处展示为圆形)。在图4中，集群对410、412、414、416、418、420中的每一者包括四个麦克风元件(或“四元组”)的集群。每集群的其它数量个麦克风元件是可行且可考虑的。
在实施例中，麦克风400可进一步包括定位在支撑件423的与第一表面422相对的第二侧或表面(未展示)上的多个麦克风元件，以增加由麦克风400涵盖的不同频带的数量。在所说明的实施例中，线性麦克风阵列402包括定位在支撑件423的第二表面上的与集群对410、412及414相对的第四集群对424。作为实例，第二表面可为麦克风400的顶表面或前表面，而第一表面422为麦克风400的后表面或底表面，或反之亦然。如所展示，第四集群对424包括集群424a及424b，其中的每一者包括间隔开第四距离的一对麦克风元件，所述第四距离小于第一集群对410的集群410a,b之间的第一距离。例如，在一个实施例中，集群424a,b之间的第四距离为7毫米，而集群410a,b之间的第一距离为15.9毫米，集群412a,b之间的第二距离为40毫米，且集群414a,b之间的第三距离为88.9毫米。因而，第四集群对424嵌套在第一集群对410内，但沿第一轴404的相对侧。类似地，线性麦克风阵列406可进一步包括包含集群426a,b的第四集群对426，集群426a,b中的每一者包括一对麦克风元件。集群426a,b也彼此间隔开第四距离且嵌套在第一集群对416内但沿第二轴408的相对侧。虽然总共包含八个麦克风元件的两个集群对经展示为布置在麦克风400的第二表面上，但更多或更少的集群对及/或麦克风元件是可行且可考虑的。
可选择第四距离以提供比(例如)由第一集群对410及416涵盖的高频带更高的频带的涵盖。例如，在某些实施例中，可能归因于其间缺乏剩余空间而无法将第四集群对424及426放置在与其它集群对410、412、414相同的表面422上。在支撑件423的相对表面上放置麦克风元件增加可用表面积的量，其使得能够涵盖包括较高频带的额外频带。例如，麦克风400可具有比(例如)麦克风300更宽的整体频带涵盖。虽然本文中描述四个频带的涵盖，但可通过沿每一轴放置适当间隔开的额外组麦克风元件来添加额外频带，直到所有所期望带宽及/或整体可听频谱经涵盖在必要SNR目标内。
图5说明根据实施例的示范性麦克风系统500。麦克风系统500包含多个麦克风元件502、波束形成器504及输出产生单元506。麦克风系统500的各种组件可使用可由一或多个计算机执行的软件(例如具有处理器及存储器的计算装置)及/或通过硬件(例如，离散逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等)来实施。例如，波束形成器504的一些或所有组件可使用离散电路装置及/或使用执行存储在存储器(未展示)中的程序代码的一或多个处理器(例如，音频处理器及/或数字信号处理器)(未展示)来实施，所述程序代码经配置以执行本文中所描述的一或多个过程或操作，例如，图8中所展示的方法800。因此，在实施例中，系统500可包括一或多个处理器、存储器装置、计算装置及/或未展示在图5中的其它硬件组件。在优选实施例中，系统500包括至少两个单独处理器，一个用于合并及格式化所有麦克风元件，且另一个用于实施DSP功能。
麦克风元件502可包括包括在图1中所展示的麦克风100、图3中所展示的麦克风300、图4中所展示的麦克风400或根据本文中所描述的技术设计的其它麦克风中的任何者中的麦克风元件。波束形成器504可与麦克风元件502通信且可用于波束形成由麦克风元件502捕获的音频信号。输出产生单元506可与波束形成器504通信且可用于处理从波束形成器504接收的输出信号用于经由(例如)扩音器、电视广播等的输出产生。
在实施例中，波束形成器504可包括一或多个组件以有利于处理从麦克风元件502接收的音频信号，例如，图6的图案形成波束形成器600及/或图7的图案组合波束形成器700。如下文参考图8更详细描述，根据实施例，图案形成波束形成器600组合由以线性阵列布置的一组麦克风元件捕获的音频信号以形成具有定向极性图案的组合输出信号。且根据实施例，图案组合波束形成器700组合从麦克风阵列中的多个嵌套组接收的输出信号以形成整个阵列的最终心形输出。其它波束形成技术也可由波束形成器504执行以获得所期望输出。
图8说明根据实施例的产生具有用于包含至少一个线性嵌套阵列的麦克风阵列的定向极性图案的波束形成输出信号的示范性方法800。方法800的全部或部分可由一或多个处理器(例如，包括在图5的麦克风系统500中的音频处理器)及/或麦克风内或外部的其它处理装置(例如，模数转换器、加密芯片等)执行。另外，一或多个其它类型的组件(例如，存储器、输入及/或输出装置、发射器、接收器、缓冲器、驱动器、离散组件、逻辑电路等)也可与处理器及/或其它处理组件结合使用以执行方法800的任何、一些或所有步骤。例如，存储在系统500的存储器中的程序代码可由音频处理器执行以便执行方法800的一或多个操作。
在一些实施例中，方法800的某些操作可由图6的图案形成波束形成器600执行，且方法800的其它操作可由图7的图案组合波束形成器700执行。麦克风阵列可为本文中所描述的麦克风阵列的任何者，例如，图2的麦克风阵列200、图3的麦克风300中的线性麦克风阵列中的一或多者或图4中所展示的线性麦克风阵列402及406中的一或多者。在一些实施例中，麦克风阵列包括耦合到支撑件(例如，图1的支撑件112、图3的支撑件311或图4的支撑件423)的多个麦克风元件。麦克风元件可为(例如)固有地全向的MEMS换能器、其它类型的全向麦克风、驻极体或电容式麦克风或其它类型的全向换能器或传感器。
返回参考图8，方法800开始，在框802处利用波束形成器或处理器从沿麦克风支撑件的一或多个轴以嵌套配置布置的多个麦克风元件(例如，图5的麦克风元件502)接收音频信号。嵌套配置可采用不同形式，例如，如由图1到4的不同麦克风阵列所展示。作为实例，多个麦克风元件可包括沿第一轴(例如，图3的轴308)布置且还嵌套在相同轴上的第二组麦克风元件内的第一组麦克风元件。第一组(例如，图2的组1)可包括彼此间隔开第一距离(例如，图2的d1)的至少两个麦克风元件(例如，图2的麦克风元件102a,b)，所述第一距离经选择用于在第一频带中的最佳麦克风操作。第二组(例如，图2的组2)可包括彼此间隔开第二距离(例如，图2的d2)的至少两个麦克风元件(例如，图2的麦克风元件104a,b)，所述第二距离大于第一距离且经选择用于在低于第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作。每一组的麦克风元件可对称地定位在第一轴上，例如，相对于第二正交轴(例如，如图1中所展示)。
在一些实施例中，多个麦克风元件可进一步包括第三组(例如，图2的组3)元件，所述第三组元件包含沿第一轴彼此间隔开第三距离(例如，图2的d3)的至少两个麦克风元件(例如，图2的麦克风元件106a,b)。第三距离可大于第二距离，使得第二组可嵌套在第三组内。第三距离可经选择以配置第三组麦克风元件用于在低于第二频带的第三频带中的最佳麦克风操作。
在一些实施例中，嵌套组中的至少一者包含沿第一轴间隔开指定距离的两个集群的麦克风元件(例如，如图3中所展示)，而非两个个别麦克风元件。对于这些组，至少两个麦克风元件可包括第一集群的两个或更多个麦克风元件(例如，图3的集群302a、304a或306a)及定位在距第一集群指定距离(例如，d1、d2或d3)的第二集群的两个或更多个麦克风元件(例如，图3的集群302b、304b或306b)。就麦克风元件的数量(例如，2个、4个等)及布置(例如，放置、间隔、对称性等)来说，每一组的第二集群可与所述组的第一集群对应或为其复制。
在框804处，对于沿给定轴的每一组麦克风元件，从所述组的麦克风元件接收的音频信号经组合以产生具有定向极性图案(例如，心形极性图案)的输出信号。在某些实施例中，在框804处组合给定组麦克风元件的音频信号包括：减去从其中的麦克风元件接收的音频信号以产生具有双向极性图案的第一信号；将所接收音频信号相加以产生具有全向极性图案的第二信号；及将第一信号及第二信号相加以产生具有心形极性图案的组合输出信号。如将了解，可重复与框804相关联的操作，直到麦克风阵列内的所有组具有表示其中的麦克风元件的组合输出的对应输出信号。
如果麦克风元件以集群布置，那么框804处的信号组合过程可包括：在产生第一信号之前，基于由所述群集中的麦克风元件捕获的音频信号产生所述组中的每一集群(例如，前集群及后集群)的集群信号。可通过(例如)将从包括在所述集群中的紧密定位的麦克风元件中的每一者接收的音频信号相加且归一化相加结果来产生集群信号。每一集群的麦克风元件可有效地作为单一、更高灵敏度麦克风操作，其提供SNR的增强(与个别麦克风元件相比)。一旦为所述组(或集群对)内的每一集群产生前集群信号及后集群信号，即可根据框804组合每一组的前集群信号及后集群信号以产生所述组的组合输出信号。用于组合每一麦克风群集的音频信号的其它技术也是可行且可考虑的。
在实施例中，框804中的信号组合过程的全部或部分可由图6的示范性图案形成波束形成器600执行。如所展示，波束形成器600接收由包括在一组(或集群对)的麦克风阵列中的一或多个前麦克风元件(例如，单一元件或前集群元件)及一或多个后麦克风元件(例如，单一元件或后集群元件)产生或输出的音频信号。前元件及后元件可沿第一轴彼此间隔开指定距离。在优选实施例中，麦克风元件为固有地具有全向极性图案的MEMS换能器。如果麦克风阵列包括间隔开集群的麦克风元件，那么所接收的音频信号可为给定集群对的对应前集群信号及后集群信号。
如图6中所展示，提供前音频信号及后音频信号到波束形成器600的两个不同区段。第一区段602通过(尤其)采用从给定集群对的全向麦克风元件接收的音频信号的差分而产生具有双向或其它一阶极性图案的第一输出信号。第二区段604通过(尤其)将从全向麦克风元件接收的音频信号相加而产生至少在所关注的频率内的具有全向极性图案的第二输出信号。将第一区段602及第二区段604的输出相加在一起以产生具有心形拾音图案或其它定向极性图案的组合输出信号。
在实施例中，第一区段602可对所接收的音频信号执行减法、积分及延迟操作以产生双向或其它一阶极性图案。如图6中所展示，第一区段602包括与前麦克风元件及后麦克风元件通信的减法(或求逆及求和)元件606。减法元件606通过从前音频信号减去后音频信号来产生差分信号。
第一区段602还包括用于对从减法元件606接收的差分信号执行积分操作的积分子系统。在一些实施例中，积分子系统可作为校正滤波器操作，其校正由减法元件606输出的差分信号的倾斜频率响应。例如，校正滤波器可具有倾斜频率响应，其为差分信号的倾斜响应的倒数。另外，校正滤波器可将90度相移添加到第一区段602的输出，使得图案的前部为相位对准且图案的后部为反对准，因此能够产生心形图案。在一些实施例中，可使用适当配置的低通滤波器来实施积分子系统。
在所说明的实施例中，积分子系统包括积分增益元件607，其经配置以将增益因子k3(也称为积分常数)应用于差分信号。可将积分常数k3调谐到麦克风集群(或元件)之间的已知间隔或距离(例如，d1、d2或d3)。例如，积分常数k3可等于(声速)/(采样率)/(集群之间的距离)。积分子系统还包括由反馈增益元件608、延迟元件609及求和元件610形成的反馈回路，如所展示。反馈增益元件608具有增益因子k4，其可经选择以将反馈增益元件608配置为“泄漏”积分器，以便根据需要使第一区段602更加稳健地抵抗反馈不稳定性。作为实例，在一些实施例中，增益因子k4可等于或小于一(1)。延迟元件609将适当量延迟(例如，z-1)添加到反馈增益元件608的输出。在所说明的实施例中，延迟量经设置为1(即单一样本延迟)。
在一些实施例中，第一区段602还包括在第一区段602的开始处的第二延迟元件611(如图6中所展示)，以便在由元件606进行的减法之前将延迟(例如，z-k6)添加到后音频信号。可基于路径602的所期望一阶极性图案来选择第二延迟元件611的“k6”参数。例如，当k6经设置为零(0)时，第一区段602产生双向极性图案，然而，当k6经设置为大于零的整数时，可产生其它一阶极性图案。
如图6中所展示，求和元件610的输出(或积分子系统的输出)可经提供到也接收第二区段604的输出的最终求和元件612。在一些实施例中，第一区段602进一步包括具有增益因子k5的增益元件613，其耦合在积分子系统的输出与最终求和元件612的输入之间。增益元件613可经配置以在到达求和元件612之前将适当增益量应用于积分子系统的校正输出。可基于应用于第二区段604中的增益量来选择增益k5的确切量，如下文所描述。
第二区段604可对从给定组麦克风元件接收的音频信号执行求和及增益操作以产生全向响应。如图6中所展示，第二区段604包括：具有增益因子k1的第一增益元件614，其与前麦克风元件通信；及具有增益因子k2的第二增益元件616，其与后麦克风元件通信。在一些实施例中，增益元件614及616可经配置以归一化前麦克风元件及后麦克风元件的输出。例如，增益元件614及616的增益因子k1及k2可经设置为0.5(或1/2)，使得第二区段604的输出在量值方面与单一全向麦克风的输出匹配。其它增益量是可行且可考虑的。
在一些实施例中，增益组件613可包括在第一区段602上，作为第二区段604的第一增益元件614及第二增益元件616的替代。在其它实施例中，可包括所有三个增益组件613、614、616，且增益因子k1、k2、k5可经配置以便在它们达到求和元件612之前将适当量增益添加到积分子系统的校正输出及/或第二区段604的输出。例如，可选择增益k5的量以便获得特定一阶极性图案。在优选实施例中，为产生心形图案，可将增益因子k5设置为一(1)，使得第一区段602(例如，双向组件)的输出在量值方面与第二区段604(例如，全向组件)的输出匹配。可取决于第一区段路径602的所期望极性图案、针对初始延迟元件611的k6参数所选择的值及/或针对整个组麦克风元件的所期望极性图案来选择选择增益因子k5的其它值。
如图6中所展示，增益元件614及616的输出可经提供到最终求和元件612，其将输出相加以产生第二区段604的全向输出。最终求和元件612还将第二区段604的输出及第一区段602的双向(或其它一阶图案)输出相加，因此产生波束形成器600的心形(或其它一阶图案)输出。
返回参考图8，一旦在框804处获得具有定向极性图案的最终输出信号，方法800继续到框806，其中将交叉滤波应用于针对沿给定轴布置的每一组麦克风元件所产生的组合输出信号，使得每一组可最佳地涵盖与其相关联的频带。在框808处，可组合每一组麦克风元件的滤波输出以产生所述轴上的麦克风元件的最终输出信号。
在实施例中，交叉滤波包括将适当滤波器应用于每一组(或集群对)的输出以便将组合输出信号隔离到不同或离散频带中。如将了解，在给定组(或集群对)中的元件(或集群)之间的分离量与可由所述组最佳地涵盖的频带之间存在反比关系。例如，较大麦克风间隔可具有较小低频响应损耗，因此导致更好的低频SNR。同时，较大间隔可具有较低频率零点，且较小间隔可具有较高频率零点。在实施例中，可应用交叉滤波以避免这些零点并将麦克风阵列的理想频率响应缝合在一起，同时维持比单一紧密间隔的麦克风对更好的SNR。
根据实施例，框806及808的全部或部分可由图7的示范性图案组合波束形成器700执行。在所说明的实施例中，波束形成器700接收最近或最紧密间隔组的麦克风元件(例如，图3的集群302a,b)、中介或中间间隔组的麦克风元件(例如，图3的集群304a,b)及最远或最远间隔组的麦克风元件(例如，图3的集群306a,b)(所有沿第一轴)的组合输出信号。在实施例中，波束形成器700可与多个波束形成器600通信以便接收组合输出信号。例如，单独波束形成器600可耦合到包括在麦克风阵列中的每一集群对(或组)，使得相应波束形成器600可经定制为(例如)所述集群对的分离距离及/或其它因素。
如所展示，波束形成器700包括多个滤波器702、704、706以实施交叉滤波过程。在所说明的实例中，将最接近组的组合输出信号提供到高通滤波器702，将中间组的组合输出信号提供到带通滤波器704，且将最远组的组合输出信号提供到低通滤波器706。可基于对应组或集群对的特定频率响应特性(包括(例如)频率零点的位置、麦克风阵列的所期望频率响应等)来选择滤波器702、704及706的截止频率。根据一个实施例，对于带通滤波器704，高频率截止可由对应组合输出信号的心形频率响应的自然-1分贝(dB)点确定，且低频率截止可通过较低频带(但不低于20赫兹(Hz))的截止确定。滤波器702、704、706可为模拟或数字滤波器。在优选实施例中，滤波器702、704、706使用数字信号处理器(DSP)或其类似者上的数字有限脉冲响应(FIR)滤波器来实施。
在其它实施例中，波束形成器700可包括更多或更少滤波器。例如，波束形成器700可经配置以包括四个滤波器或两个滤波器，而非所说明的三个频带解决方案。在其它实施例中，波束形成器700可包括滤波器的不同组合。例如，波束形成器700可经配置以包括多个带通滤波器，而非高通滤波器或低通滤波器，或带通滤波器、低通滤波器及/或高通滤波器的任何其它组合。
如图7中所展示，提供滤波输出到波束形成器700的求和元件708。求和元件708将滤波输出组合或相加以产生输出信号，所述输出信号可表示包括在麦克风阵列的第一轴上的麦克风元件的最终心形输出或其它一阶极性图案。
在一些实施例中，给定麦克风阵列的多个麦克风元件进一步包括沿正交于第一轴的第二轴(例如，图3的轴314)布置的额外组元件。就麦克风元件的布置(例如，嵌套、间隔、集群等)及数量(例如，1个、2个、4个等)来说，第二轴上的额外组可为布置在第一轴上的组的复制或副本。例如，额外组麦克风元件可包括沿第二轴嵌套在第二组(例如，图3的集群对318)内的第一组(例如，图3的集群对316)。类似于沿第一轴布置的第一组，第二轴上的第一组可包括彼此间隔开第一距离(例如，图2的d1)的至少两个麦克风元件(例如，图3的集群316a,b)，以便最佳地涵盖第一频带。同样地，第二组可包括彼此间隔开第二距离(例如，图2的d2)的至少两个麦克风元件(例如，图3的集群318a,b)，以便最佳地涵盖第二频带，类似于第一轴上的第二组。
返回参考图8，在麦克风阵列包括两个正交轴上的麦克风元件的情况下，方法800可进一步包括，在框810处，将对于第一轴产生的最终输出信号与对于第二轴产生的最终输出信号组合以便产生具有平面及/或可操纵定向极性图案的最终组合输出信号。在这些情况下，可将框802到808应用于布置在第二轴上的麦克风元件以产生所述轴的最终输出信号。
例如，在框802处，除第一轴外，还可从第二轴上的每一麦克风元件接收音频信号。在框804处，除第一轴外，可对于布置在第二轴上的每一组(或集群对)麦克风元件产生组合输出信号。即，可对于阵列的每一轴上的每一组元件重复框804中的组合过程(且如图6中所展示)。框806及808(及如图7中所展示)中的滤波及组合过程可以逐轴方式执行。即，包括在第二轴上的组的组合输出信号可在一个波束形成过程中经滤波及组合在一起，而同时或连续地，包括在第二轴上的组的组合输出信号可在另一个波束形成过程中经滤波及组合在一起。接着可将框808处对于每一轴所产生的最终输出信号提供到框810。
在框810处，将第一轴的最终输出信号与第二轴的最终输出信号组合以获得具有平面定向响应(例如，环形、单向等)的最终组合输出信号。如果需要转向一阶极性图案，那么可使用加权及相加技术来组合两个轴的信号，或如果需要环形极性图案，那么使用滤波及相加技术。例如，可将适当加权值应用于每一轴的输出信号以产生不同极性图案及/或将拾音图案的波瓣转到所期望方向。
根据某些实施例，一种组装麦克风阵列的方法可包含：沿第一轴形成第一组麦克风元件，所述第一组包括彼此间隔开第一距离的至少两个麦克风元件；沿所述第一轴形成第二组麦克风元件，所述第二组包括彼此间隔开第二距离的至少两个麦克风元件，所述第二距离大于所述第一距离，使得所述第一组嵌套在所述第二组内；及将每一麦克风元件电耦合到至少一个处理器用于处理由所述麦克风元件捕获的音频信号，其中所述第一距离经选择用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二距离经选择用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作。根据各方面，所述方法可进一步包含：形成沿正交于所述第一轴的第二轴定位的第三组元件，所述第三组包含彼此间隔开所述第二距离的至少两个麦克风元件；及形成沿所述第二轴嵌套在所述第三组内的第四组元件，所述第四组包含彼此间隔开所述第一距离的至少两个麦克风元件。根据进一步方面，所述方法还可包含：形成第五组元件，所述第五组元件包含沿所述第一轴彼此间隔开第三距离的至少两个麦克风元件，所述第三距离大于所述第二距离，使得所述第二组嵌套在所述第五组内，其中所述第三距离经选择用于在低于所述第二频带的第三频带中的最佳麦克风操作。根据其它方面，所述方法可进一步包含将所述第一组及所述第二组中的选择组放置在所述麦克风阵列的第一表面上且将所述剩余组放置在与所述第一表面相对的第二表面上。
图9是根据实施例的用于示范性麦克风阵列的频率响应曲线图900，所述麦克风阵列具有以线性嵌套阵列布置的三组麦克风元件，例如，类似于沿图3中的第一轴308布置的集群对302、304、306。特定来说，曲线图900展示包括间隔14毫米(mm)的麦克风集群的最近组(902)、包括间隔40mm的麦克风集群的中间组(904)及包括间隔100mm的麦克风集群的最远组(906)的滤波频率响应。另外，曲线图900展示针对所有三组线性嵌套阵列的组合频率响应908。在实施例中，频率响应902、904、906表示包括在图7的图案组合波束形成器700中的相应交叉滤波器702、704、706的滤波输出，且频率响应908是滤波信号的组合输出或总和。
如所展示，最近组的频率响应902在约2千赫兹(kHz)之后变平，而最远组的频率响应906大体上为平坦的，直到约200Hz。中间组的频率响应904在约1kHz处达到峰值，其中-6dB/倍频程上升在约650Hz处与最远组响应906交叉，且-6dB/倍频程下降在约1.5kHz处与最近组响应902交叉。滤波及组合频率响应908将三个响应缝合在一起以跨几乎整个音频带宽(例如，20Hz到20kHz)提供大体上平坦频率响应，其中衰减仅发生于较高频率(例如，高于5kHz)处。
图10说明根据实施例的用于示范性麦克风阵列的噪声响应曲线图1000，所述麦克风阵列具有以线性嵌套阵列布置的三组麦克风元件，例如，类似于沿图3中的第一轴308布置的集群对302、304、306。噪声响应曲线图1000对应于图9中所展示的滤波及组合频率响应曲线图900。特定来说，噪声响应曲线图1000展示噪声响应，所述噪声响应表示最近组(1002)、中间组(1004)及最远组(1006)的滤波输出，以及所有三者的组合输出(1008)。
因此，本文中所描述的技术提供一种高性能麦克风，其能够具有高度定定向极性图案、经改进信噪比(SNR)及宽带音频应用(例如，20赫兹(Hz)≤f≤20千赫兹(kHz))。麦克风包括至少一个线性嵌套阵列，所述阵列包含一组或多组麦克风元件，其间隔开经选择以最佳地涵盖所期望操作频带的距离。在一些情况下，麦克风元件经集群并交叉滤波以进一步改进SNR特性且优化频率响应。一或多个波束形成器可用于为具有期望定向极性图案(例如，心形、超级心形等)的每一线性阵列产生组合输出信号。在一些情况下，至少两个线性阵列对称地布置在正交轴上以实现平面定向极性图案(例如，环形等)，因此使麦克风最佳用于会议应用。
本公开旨在解释如何根据本技术来设计及使用各种实施例，而非限制其真实、预期及合理范围及精神。前述描述不旨在为详尽的或限于所揭示的准确形式。鉴于上述教示，修改或变动是可行的。实施例经选择及描述以提供所描述技术及其实际应用的原理的最佳说明，且使所属领域的一般技术人员能利用各种实施例中的技术及如适于所考虑的特定使用的各种修改。当根据其公平、合法及平等享有权利的广度解释时，所有这些修改及变化在由随附权利要求书(如在本专利申请未决期间可修正)确定的实施例及其所有等效物的范围内。

Claims (23)

1.一种麦克风阵列，其包含：
多个麦克风元件，其包含：
第一组元件，其沿第一轴布置，且包含第一集群的两个或更多个麦克风元件，所述第一集群的两个或更多个麦克风元件与第二集群的两个或更多个麦克风元件间隔开第一距离；
第二组元件，其沿所述第一轴布置，且包含第三集群的两个或更多个麦克风元件，所述第三集群的两个或更多个麦克风元件与第四集群的两个或更多个麦克风元件间隔开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离，使得所述第一组嵌套在所述第二组内；
第三组元件，其沿正交于所述第一轴的第二轴布置，所述第三组包含第五集群的两个或更多个麦克风元件，所述第五集群的两个或更多个麦克风元件与第六集群的两个或更多个麦克风元件间隔开所述第二距离；及
第四组元件，其沿所述第二轴嵌套在所述第三组内，所述第四组包含第七集群的两个或更多个麦克风元件，所述第七集群的两个或更多个麦克风元件与第八集群的两个或更多个麦克风元件间隔开所述第一距离，
其中所述第一距离经选择用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二距离经选择用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作，且
其中在每一集群内，所述两个或更多个麦克风元件彼此相邻地布置，且关于对应的轴对称。
2.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中包括在所述第一组中的每一集群含有两个麦克风元件，且包括在所述第二组中的每一集群含有四个麦克风元件。
3.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中对于每一组元件，所述第二集群在麦克风元件的数量及布置方面与所述第一集群对应。
4.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述第一轴的中心与所述第二轴的中心对准，且每一组麦克风元件相对于所述正交轴对称地布置。
5.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述第三及第四组元件在麦克风元件的数量及布置方面分别对应于所述第一及第二组元件。
6.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述多个麦克风元件进一步包含：
第五组元件，其包含沿所述第一轴彼此间隔开第三距离的至少两个麦克风元件，所述第三距离大于所述第二距离，使得所述第二组嵌套在所述第五组内，其中所述第三距离经选择用于在低于所述第二频带的第三频带中的最佳麦克风操作。
7.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述第一组及所述第二组中的选择组放置在所述麦克风阵列的第一表面上，且剩余组放置在与所述第一表面相对的第二表面上。
8.根据权利要求7所述的麦克风阵列，其中所述第一表面是所述麦克风阵列的后面且所述第二表面是它的前面。
9.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中每一麦克风元件是微机电系统MEMS麦克风。
10.一种麦克风系统，其包含：
麦克风阵列，其包括耦合到支撑件的多个麦克风元件，所述多个麦克风元件包含沿所述支撑件的第一轴布置的第一及第二组元件，所述第一组嵌套在所述第二组内，
其中所述第一组包括第一集群的两个或更多个麦克风元件，所述第一集群的两个或更多个麦克风元件与第二集群的两个或更多个麦克风元件间隔开第一距离，所述第一距离经选择以配置所述第一组用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二组包括第三集群的两个或更多个麦克风元件，所述第三集群的两个或更多个麦克风元件与第四集群的两个或更多个麦克风元件间隔开大于所述第一距离的第二距离，所述第二距离经选择以配置所述第二组用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作；且
其中在每一集群内，所述两个或更多个麦克风元件彼此相邻地布置，且关于所述第一轴对称；
存储器，其经配置以存储用于处理由所述多个麦克风元件捕获的音频信号并基于其产生输出信号的程序代码；
至少一个处理器，其与所述存储器及所述麦克风阵列通信，所述至少一个处理器经配置以响应于从所述麦克风阵列接收音频信号而执行所述程序代码，其中所述程序代码经配置以：
从所述麦克风阵列的每一麦克风元件接收音频信号；
对于给定组中的每一集群，将从该集群的所述两个或更多个麦克风元件接收的所述音频信号相加，以产生集群信号；
对于沿所述第一轴的每一组元件，组合所述组中的所述集群的所述集群信号，以产生具有定向极性图案的组合输出信号；且
组合所述第一组及所述第二组的所述组合输出信号，以产生所述第一轴上的所有所述麦克风元件的最终输出信号。
11.根据权利要求10所述的麦克风系统，其中组合每一组元件的所述集群信号包含：
使所述集群信号相减以产生第一信号；
使所述集群信号相加以产生第二信号；及
使所述第一信号及所述第二信号相加以产生所述组合输出信号。
12.根据权利要求10所述的麦克风系统，其中对于每一组元件，所述集群在麦克风元件的数量及布置方面彼此对应。
13.根据权利要求10所述的麦克风系统，其中所述多个麦克风元件进一步包含沿所述支撑件的正交于所述第一轴的第二轴布置的第三及第四组元件，所述第三组嵌套在所述第四组内，且所述第三组及所述第四组在麦克风元件的数量及布置方面分别对应于所述第一组及所述第二组，且其中所述程序代码进一步经配置以：
对于沿所述第二轴的每一组元件，组合所述组中的所述麦克风元件的所述音频信号以产生具有定向极性图案的组合输出信号；
组合所述第三及第四组的所述组合输出信号以产生所述第二轴上的所述麦克风元件的最终输出信号；及
将所述第一轴的所述最终输出信号与所述第二轴的所述最终输出信号组合以产生具有平面定向极性图案的最终组合输出信号。
14.根据权利要求10所述的麦克风系统，其中所述程序代码进一步经配置以：
在产生所述输出信号之前，对所述组合输出信号应用交叉滤波使得所述第一轴上的每一组元件最佳地涵盖与其相关联的所述频带。
15.根据权利要求14所述的麦克风系统，其中所述多个麦克风元件进一步包含第五组元件，其包含沿所述第一轴彼此间隔开第三距离的至少两个麦克风元件，所述第三距离大于所述第二距离，使得所述第二组嵌套在所述第五组中，其中所述第三距离经选择以配置所述第五组用于在低于所述第二频带的第三频带中的最佳麦克风操作，且
其中应用交叉滤波包括对所述第二组的所述组合输出信号应用带通滤波器，对所述第五组的所述组合输出信号应用低通滤波器，及对所述第一组的所述组合输出信号应用高通滤波器。
16.根据权利要求10所述的麦克风系统，其中每一麦克风元件是微机电系统MEMS麦克风。
17.一种由一或多个处理器执行以产生包含耦合到支撑件的多个麦克风元件的麦克风阵列的输出信号的方法，所述方法包含：
接收来自所述多个麦克风元件的音频信号，所述多个麦克风元件包含沿所述支撑件的第一轴布置的第一及第二组元件，所述第一组嵌套在所述第二组内，其中所述第一组包括第一集群的两个或更多个麦克风元件，所述第一集群的两个或更多个麦克风元件与第二集群的两个或更多个麦克风元件间隔开第一距离，所述第一距离经选择以配置所述第一组用于在第一频带中的最佳麦克风操作，且所述第二组包括第三集群的两个或更多个麦克风元件，所述第三集群的两个或更多个麦克风元件与第四集群的两个或更多个麦克风元件间隔开大于所述第一距离的第二距离，所述第二距离经选择以配置所述第二组用于在低于所述第一频带的第二频带中的最佳麦克风操作，且其中在每一集群内，所述两个或更多个麦克风元件彼此相邻地布置，且关于所述第一轴对称；
对于给定组中的每一集群，使从该集群的所述两个或更多个麦克风元件接收的所述音频信号相加，以产生集群信号；
对于沿所述第一轴的每一组元件，组合所述组中的所述集群的所述集群信号，以产生具有定向极性图案的组合输出信号；及
组合所述第一及所述第二组的所述组合输出信号以产生所述第一轴上的所有麦克风元件的最终输出信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中组合每一组元件的所述集群信号包含：
使所述集群信号相减以产生第一信号；
使所述集群信号相加以产生第二信号；及
使所述第一信号及所述第二信号相加以产生所述组合输出信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其中对于每一组元件，所述集群在麦克风元件的数量及布置方面彼此对应。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个麦克风元件进一步包含沿所述支撑件的正交于所述第一轴的第二轴布置的第三及第四组元件，所述第三组嵌套在所述第四组内，其中所述第三组及所述第四组在麦克风元件的数量及布置方面分别对应于所述第一及所述第二组，且其中所述方法进一步包含：
对于沿所述第二轴的每一组元件，组合所述组中的所述麦克风元件的所述音频信号以产生具有定向极性图案的组合输出信号；
组合所述第三及所述第四组的所述组合输出信号以产生所述第二轴上的所有麦克风元件的最终输出信号；及
将所述第一轴的所述最终输出信号与所述第二轴的所述最终输出信号组合以产生具有更高阶极性图案的最终组合输出信号。
21.根据权利要求17所述的方法，其进一步包含：
在产生所述第一轴上的所有麦克风元件的所述最终输出信号之前，对所述组合输出信号应用交叉滤波使得所述第一轴上的每一组元件最佳地涵盖与其相关联的所述频带。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述多个麦克风元件进一步包含第五组元件，其包括沿所述第一轴彼此间隔开第三距离的至少两个麦克风元件，所述第三距离大于所述第二距离，使得所述第二组嵌套在所述第五组内，其中所述第三距离经选择以配置所述第五组用于在低于所述第二频带的第三频带中的最佳麦克风操作，且其中应用交叉滤波包括对所述第二组的所述组合输出信号应用带通滤波器，对所述第五组的组合输出信号应用低通滤波器，及对所述第一组的所述组合输出信号应用高通滤波器。
23.根据权利要求17所述的方法，其中每一麦克风元件是微机电系统MEMS麦克风。
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