CN102265641B - 高架环形麦克风设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种视频电话会议定向麦克风包括在垂直轴上一致排列的三个麦克风元件。这三个麦克风元件被安放在支撑平面上，使得第一麦克风元件在该平面上，而第二和第三麦克风元件架高在支撑平面上方。定向麦克风还包括三个滤波器、一个求和节点以及一个均衡器，这些用来把定向麦克风的方向图形成为高架环形灵敏度图。该高架环形灵敏度图增加了所关注声源方向上的灵敏度，但是降低了对于由其他方位的噪声源产生的任何声波的灵敏度。

Description

高架环形麦克风设备和方法

技术领域

本公开涉及一种高架环形麦克风，以及一种用于在高架环形麦克风中产生高架环形方向图的方法。

本发明描述了一种麦克风，该麦克风具有与麦克风方位角无关的灵敏度图，并且该灵敏度图在所关注的声源方向最大化灵敏度，而对于来自其他方向的声音最小化灵敏度。

背景技术

视频电话会议系统用来在位于不同房间的两个或更多个人之间、或者两组或更多组人之间创建虚拟的会议。该房间可以是在同一个楼宇中，或者在位于不同城市、国家、洲等的不同楼宇内。因此，视频电话会议可以用来建立会议，否则的话可能需要长距离的旅行。

为了建立虚拟会议，视频电话会议系统传输视频和音频数据，因此包括一个或多个麦克风来捕获声波。麦克风将在一个视频电话会议室中产生的声波转换为电脉冲，用于传输到另一个视频电话会议室。因此，这种传输音频的质量直接取决于房间内麦克风的位置、房间的音效，尤其是取决于麦克风本身的特性。

例如，用于从诸如人发言的所关注声源捕获声音的传统麦克风将接收来自声源的直达声波、反射声波、和混响声波。直达声波未经反射直接传播到麦克风，并且它是麦克风想要捕获的声波。另外，直达声波的强度反比于所关注声源与接收声音的麦克风之间的距离。

反射声波不直接传播到麦克风。相反，在到达麦克风之前，其被室内的物体或者房间本身进行了多次反射。例如，来自所关注声源的声波可以被墙壁、地板、天花板、椅子等反射。在达到麦克风之前传播少于50-80ms(对应17至27米的传播距离)的反射声波被称为“早期反射”。

来自所关注声源的早期反射可以对麦克风接收的音频产生积极的贡献。但是，由于引起梳状滤波效应，早期反射也可能令音频失真。早期反射具有与直达声波近似相等的声压级，但是在时间上延迟。该时延引起两个声波之间的相位差，这可能导致当直达声波与早期反射组合时，直达声波的某些频率分量的抵消。这一现象被称为“梳状滤波”，并且对于声音质量具有负面的影响。

传播超过50至8ms(17至27米)的反射被称为“混响声”。因为声波已经在室内反射了多次，所以混响声几乎从各个方向到达麦克风。另外，它们的声压级在很大程度上与麦克风-声源距离无关。不同于早期反射，由于产生“拉远”、“空洞”和/或“沉闷”的特点，混响声总是对音频质量造成负面影响。

由混响声造成的失真的程度由直达声的强度与混响声的强度之比确定。例如，如果所关注声源非常接近麦克风，则直达声与混响声之比很大，并且失真很小。当所关注声源远离麦克风时，直达声与混响声之比将减小，失真增加。

直达声强度等于混响声强度的距离被称为“房间半径”，能够对于每个房间确定该值。当所关注声源位于房间半径之外时，混响声起主要作用并且失真增加。相反，当声源移进房间半径内的范围时，直达声起主要作用，而失真减小。因此，对于传统的麦克风系统，所关注声源应该保持在房间半径内以避免严重的音频失真。

此外，直达声、反射声和混响声不限于所关注声源，也可以存在于视频电话会议室内的噪声源中。噪声源包括，例如，来自通风系统的风扇噪声，来自电子设备的冷却风扇噪声，来自视频电话会议室外的噪声，以及由人们用笔在桌上书写、放水杯、敲击桌面计算机键盘、移动椅子等而直接制造的噪声。传统视频电话会议系统的麦克风也接收来自这些噪声源的直达、反射和混响声波，其恶化了音频质量。

另外，每个噪声源具有不同的主导分量。例如，安装在电子设备上的冷却风扇和源自视频电话会议室外的噪声主要以混响声波的形式给出噪声。在安放麦克风的桌面表面上直接产生的噪声提供平行于桌面表面传播的直达声波。某些噪声源，例如通风系统，甚至给出多种噪声分量，即直达和混响声波。

传统麦克风也以回声的形式给出噪声。当来自用于重现从远程方传输到视频电话会议的音频的扬声器的声音被麦克风捕获，并被重新发送到远程方时，会出现回声。回声也具有直达、反射和混响分量，但是一个分量相对于其他分量的优势是由扬声器-麦克风距离确定的，其并不总是常量。

传统上，回声由回声消除器来削弱，回声消除器是针对扬声器-麦克风信道响应训练的自适应滤波器。但是，回声消除器无法避免麦克风接收回声。相反，回声消除器仅削弱已经存在于音频信号中的回声。另外，由于其自适应的性质，回声消除器需要时间针对给定响应来训练，使得时不变扬声器-麦克风信道响应如所期望的。然而在实际中，为了捕获来自多个不同声源的音频，在视频会议期间麦克风可能被重新定位，并且时不变扬声器-麦克风信道响应难以实现。因此，典型地，传统视频会议系统的回声消除器需要重新训练多次。而且，回声消除器在削弱混响声分量上有困难，导致当混响回声增加时增加了运算复杂度。

当全向麦克风被用在视频电话会议系统中时，这一问题更加恶化。全向麦克风以相等的灵敏度从所有方向接收音频，因此从包括噪声源的室内的每个声源接收直达、反射和混响声。实际上，仅有会议桌下的噪声源将被削弱，因为桌子起到了声压波屏障的作用。尽管全向麦克风能够捕获来自所有所关注声源的音频而无需重新定位，但是因为捕获的噪声源的声音，所以结果导致的音频质量较差。

一种提高由视频电话会议系统传输的音频质量的方法是使用定向麦克风。不同于全向麦克风，相对于某些方向，定向麦克风具有超过其他方向的更高灵敏度，并且固有的滤除来自至少一些噪声源的声音。这相对于全向麦克风提高了音频质量，但是也需要对定向麦克风做定向，使得将其最高灵敏度的方向(“主轴”)朝向所关注声源。因此，每当所关注声源改变位置时，定向麦克风需要重新定位。

具有心形灵敏度图或者双向灵敏度图的定向麦克风典型地被用在视频电话会议中。具有心形灵敏度的麦克风具有g(α)＝1/2+1/2Hcos(α)给出的方向性函数，其中α是主轴关于水平方向的方位角。典型的心形麦克风在α＝0°处有最大灵敏度，而在α＝180°处具有最小灵敏度。

双向麦克风具有g(α)＝cos(α)给出的方向性函数，其中α也是主轴关于水平方向的方位角。该麦克风在α＝0°和α＝180°处有最大灵敏度，而在α＝90°和α＝270°处具有最小灵敏度。因为心形和双向灵敏度图都是在麦克风的方位角上，所以对于这些麦克风的灵敏度在水平方向和垂直方向变化。

如上所述，心形麦克风或者双向麦克风可以用于视频电话会议系统，以提高音频质量。将心形或双向麦克风放置在桌上也提高了音频质量，因为对于源自桌面之下的声音，桌子起到了声音屏障的作用，这提高了直达音频与混响音频之比。

通过将麦克风直接放置在桌面表面上也可以提高麦克风灵敏度，因为在该平面麦克风接收直达声波和由桌子反射的声波(即早期反射)。直达声波和桌子反射的反射声波保持同相，并且组合形成了加倍直达声波声压的声压波。这有效地增加了麦克风灵敏度6分贝，并且其通常被称作“边界原理”。

但是，双向麦克风仍然需要使所关注声源保持位于麦克风主灵敏方向的附近。因此，当多人参加会议时，必须不断的重新调整麦克风以避免降低音频质量。这就需要参加视频电话会议的人员为了进行位置调整而了解麦克风的灵敏度图，从而使得定向麦克风难以用于非专业用户。

传统的麦克风系统使用多个定向麦克风以避免麦克风重新定位。例如，一种传统的麦克风使用四个彼此相对旋转90°的心形元件，并从主轴最接近所关注有效声源的麦克风元件中选择音频。另一种传统的麦克风系统使用两个彼此相对90°安装的双向麦克风元件，并且使用音频处理以产生虚拟的麦克风灵敏度图。例如，如果这两个双向麦克风的物理双向图存在主轴0°和90°，则可以在45°至135°的范围内产生虚拟的图。

但是，上面讨论的传统麦克风系统产生了时变的扬声器-麦克风信道响应，这增加了消除回声的复杂度，并且迫使回声消除器更频繁的重新训练。最优的回声消除可能被频繁的回声消除器重训练所阻止。这些传统的麦克风系统也需要更复杂的硬件，增加了安装的难度。

为了避免增加系统复杂度和安装难度，在视频电话会议系统中优选的是固定灵敏度图的麦克风。上面讨论的全向麦克风具有固定的灵敏度图，但是缺乏抑制混响声的能力。定向麦克风也具有固定灵敏度图，并且能够抑制混响声，但是需要频繁的重新定位。

第三种具有固定灵敏度图的传统麦克风是环形麦克风。环形麦克风的灵敏度图是环形的，并且由g(β)＝cos(β)给出，其中β是仰角而非方位角。一种这样的传统环形麦克风可以由两个正交的、水平方向一致的双向麦克风元件构成，这两个麦克风元件的输出信号以正交相位来叠加。作为替换，一种传统的环形麦克风可以通过两个正交的、水平方向一致的、其输出信号以同相叠加的双向麦克风元件来构成，其具有由g(β)＝cos²(β)给出的灵敏度图，其中，β是麦克风的仰角。

因为环形麦克风的灵敏度图取决于麦克风的仰角而非方位角，所以其灵敏度仅在垂直方向变化。因此，环形麦克风可以捕获来自遍布房间不同位置的声源的声音，而不用重新定位。环形麦克风还能削弱从垂直方向到达的声音，并且可以放置在桌面表面上以充分利用边界原理，从而进一步增加灵敏度。但是，对于源自桌面表面的噪声，例如那些由在桌上放咖啡杯，在桌上进行书写，敲击计算机键盘等所产生的噪声，环形麦克风也具有很强的灵敏度，这可能会恶化音频质量。

因此，如本发明人所认识到的，存在对于如下麦克风的需要，该麦克风具有与方位角无关的在所关注声源方向最大化灵敏度的灵敏度图。该灵敏度图也应该对于从垂直方向(即，头顶噪声源)和水平方向(即，桌面噪声源)到达麦克风的声波降低灵敏度。

发明内容

本发明由所附权利要求定义。

一种高架环形麦克风，包括第一全向麦克风元件组件，其具有邻近支撑面布置的第一麦克风元件以及连接到第一麦克风元件的第一滤波器。第一滤波器的频率响应被定义为(H₀)。高架环形麦克风也包括第二全向麦克风元件组件，其具有在距支撑面预定距离(d)处布置的第二麦克风元件和连接到第二麦克风元件的第二滤波器。第二滤波器的频率响应是(H₁)。第三全向麦克风组件具有在距支撑面两倍于预定距离(d)处布置的第三麦克风元件，并且与第三滤波器相连。第三滤波器具有(H₂)的频率响应。加法器将第一、第二、和第三麦克风组件的输出组合为加法器输出，该加法器输出由均衡器均衡，以产生均衡的输出。H₀、H₁和H₂的组合为高架环形麦克风产生高架环形方向图。

附图说明

本发明更完整的了解及其许多附加的优点将容易被获得，而通过参考附图时考虑下面的细节描述，可以获得更好的理解。但是，附图及其示例性的描绘不以任何方式限制本说明书所包含发明的范围。由说明书和绘图包含的发明的范围由所附权利要求的文字定义。其中

图1是根据本公开示例性实施例的包括麦克风的视频电话会议系统的音频分布部分的示意图；

图2是根据本公开示例性实施例的布置在头顶和桌面的高架环形麦克风的高架环形灵敏度图的示意图；

图3是根据本公开示例性实施例的高架环形麦克风的示意图；

图4是根据本公开示例性实施例的用于实现对应于频率响应H₀、H₁和H₂的功能的处理器的示意图；

图5包括根据本公开示例性实施例的对于6种频率的6个高架环形灵敏度图的曲线图；

图6是根据本公开示例性实施例的响应(H₀)的幅度图；

图7是根据本公开示例性实施例的频率响应(H₁)的幅度图；

图8是根据本公开示例性实施例的频率响应(H₂)的幅度图；

图9是根据本公开示例性实施例的频率响应(H₃)的幅度图；以及

图10是根据本公开另一个示例性实施例的高架环形麦克风的示意图。

具体实施方式

在下文中，将通过参考附图描述优选的实施例来讨论本发明。但是，本领域技术人员将在如所附权利要求定义的本公开的范围内实现其他应用和修改。

图1是描绘视频电话会议系统的音频部分的示意图。在图1中，房间110a中的说话人10a和房间110b中的说话人10b参与一个视频电话会议。房间110a和110b可以是在同一个建筑物内物理上彼此邻近的，或者相距上千英里。因此，通信链路140用于在房间110a和110b之间传输视频和音频数据。

示意性通信链路140可以是有线的，例如PSTN电话系统、广域网(WAN)、局域网(LAN)，或者临时网(Ad-hoc)。示意性通信链路140也可以是无线的，例如蜂窝网络、WiMax、Wifi，或者经由卫星链路。另外，通信链路140也可以是有线和无线网络的组合。

图1的房间110a和110b是彼此呈镜像的，并且包括相同的设备。当然，本领域技术人员将认识到本文描述的本发明包括可替换的结构。房间110a和110b的每一个包括高架环形麦克风20a或20b、麦克风放大器30a或30b、A/D转换器40a或40b、回声消除器50a或50b、编码器60a或60b、解码器70a或70b、D/A转换器80a或80b、功率放大器90a或90b，以及扬声器100a或100b。

当说话人10a讲话时，从他或她嗓音中发出的声波传播到高架环形麦克风20a，并被转换为电脉冲。麦克风放大器30a放大这些电脉冲，而A/D转换器40a将它们转换为数字音频数据。然后数字音频数据行进到回声消除器50a，其使用传输路径130a筛选解码器70a的输出，以降低包含在数字音频数据的中的任何回声。一旦降低了回声，数字化音频数据被转移到编码器60a，其根据通信链路140的格式编码数字化的信号。然后通信链路140将数字化的音频信号载运到房间110b。

在房间110a接收的数字音频数据首先被解码器70a根据通信链路140的传输协议而解码。如上所述，解码的数字音频数据被用于降低回声，并且也被D/A转换器80a转换为电脉冲。电脉冲经功率放大器90a放大，并被扬声器100a转换为声波。

尽管上面的描述仅涉及房间110a，其等同地适用于房间110b。因此，在房间110a和110b中的视频电话会议系统的音频部分允许说话人10a和10b通过通信链路140同时地交换音频数据。

而且，麦克风放大器30a、A/D转换器40a、回声消除器50a、编码器60a、解码器70a、D/A转换器80a，以及功率放大器90a可以独立地实现成硬件或软件元件，或者集成到诸如ASIC“片上系统”的单一设备中。麦克风放大器30b、A/D转换器40b、回声消除器50b、编码器60b、解码器70b、D/A转换器80b以及功率放大器90b可以被简单地集成，或者个别地实现。

尽管上面描述了关于两个说话人在两个房间的视频电话会议，其他结构也是可行的。例如，三个或更多的房间可以由通信链路140连接到公共的电话会议，并且也可以在每个房间出现有超过一个说话人。此外，也可以使用自含式的、桌面电话会议单元，以允许每个说话人加入电话会议而无须离开他们的办公桌，并且一些说话人也可以使用仅有音频的通信来加入到电话会议。本领域技术人员可以理解，不背离本公开的范围，可以有许多其他视频电话会议结构。

图2是根据本公开示例性实施例的两个高架环形麦克风A和B的高架环形方向图的示意性截面图。该方向图本质上是高架环形方向图，其中，在近似45°仰角的声源的方向上麦克风具有最大灵敏度。因为该方向图是环形的并且是架高的，所以该方向性与方位角无关，而分别依赖于仰角。房间270包括示意的头顶安装件260，高架环形麦克风B附接到该安装件。高架环形麦克风B的灵敏度图包括灵敏度瓣220和210，其限定了增强灵敏度的区域。灵敏度瓣210与说话人200对准。因此，相比于其他声源，麦克风B对于源自说话人200的声音更加灵敏。例如，声音麦克风B对沿头顶安装件表面260a传播的声音相对不灵敏，因为头顶安装件表面260a不被灵敏度瓣210或220中任何一个包围。类似地，由于在灵敏度图中灵敏度瓣210和220之间的空隙，麦克风B对直接垂直于头顶安装件表面260a传播的声音不灵敏。图2还包括安装在桌子250的示意性桌面表面250a的麦克风A。麦克风A的灵敏度图由灵敏度瓣230和240定义。由此，麦克风A对于来自说话人200的声音灵敏，但是对于任何平行于桌面表面250a或者在垂直方向向下传播的声音相对不灵敏。因此，麦克风A对于桌面噪声或头顶噪声相对不灵敏。

在图2中，头顶安装件260和桌子250仅是示例性的，因此没有限制。头顶附件260可以是本领域里通常使用的任何形状、高度，以及材料。同样，桌子250可以是本领域里通常使用的任何形状、高度，以及材料。另外，尽管说话人200被示为在房间270的右侧，说话人也可以在左侧、桌后、桌前，或者房间270中的任何位置。在不背离本发明的范围内，高架环形麦克风A和B也可以适应多个说话人。

图3是根据本发明示例性实施例的高架环形麦克风300。高架环形麦克风300包括三个全向麦克风元件340、345、350，以及分别对应于频率响应H₀、H₁和H₂的三个电子滤波器325、330、335。三个滤波器325、330和335的输出在求和节点355中相加，并在频率响应为H₃的均衡器320中被均衡。高架环形麦克风360的总体输出对应均衡器320的输出。

麦克风元件340、345和350被布置在桌子305上，以捕获两个方向的声波以及由桌面305反射的声波。麦克风元件340直接置于桌子305上，以利用边界原理。麦克风元件345与麦克风元件340关于垂直轴重合，但是其在桌子305上方距离(d)处。同样的，麦克风元件350以相同的垂直轴与麦克风元件340和345重合，但是在桌子305上方的两倍于距离(d)处。在上面的描述中，距离(d)应该小于高架环形麦克风300所捕获的最高频率分量的波长的一半。

在图3中，直达声波310以入射角(β)达到桌子305，被桌子305反射以形成反射声波315。麦克风元件340捕获直达声波和来自桌子的反射声波，利用压力加倍原理来增加灵敏度。麦克风元件345和350接收直达声波310和相对于直达声波310延时的反射声波315。反射声波315的延时量依赖入射角(β)和距离(d)。任何源自桌下的声波被桌面305阻挡。

由麦克风元件340、345和350捕获的声波被转换为电脉冲，并被提供给滤波器325、330和335用于处理。滤波器325、330和335分别连接于麦克风元件340、345和350，并且定义了方向性函数，并且其被选为如下形式：

H₀(ω)＝cos(κ)-cos(2κ)

H₁(ω)＝cos(2κ)-1

H₂(ω)＝1-cos(κ).

在上面的等式中，κ＝ωH(d/c)，其中ω是以弧度每秒表示的频率，而c是空气中的声速。

滤波器325、330和335产生的结果电信号在求和节点355中相加，并且然后被均衡滤波器320均衡。均衡滤波器320定义频率响应，并且根据本发明的一个实施例，对于在仰角45°处理论上的平坦响应，如下式给出：

$H_3\left(\mathrm{\ω}\right)=\left(2\right[\cos \left(\mathrm{\κ}\right)(1-\cos \left(2\mathrm{\κ}\sqrt{1/2}\right)+\cos \left(2\mathrm{\κ}\right)\left(\cos \left(\mathrm{\κ}\sqrt{1/2}\right)\right)-1)-\cos \left(\mathrm{\κ}\sqrt{1/2}\right)+\cos \left(2\mathrm{\κ}\sqrt{1/2}\right)$

其中ω和κ定义如上述。

应该注意，在本发明不限于45°的仰角。45°的仰角被认为适合于大多数会议室的配置，但是可以使用30°至60°之间的其他角度。

滤波器325、330和335，均衡器320以及求和节点355可以实现成数字结构，在这种情况下A/D转换器(未示出)将来自麦克风元件340、345、350的电脉冲转换为数字音频数据。然后，滤波器325、330和335可以实现为无限冲激响应(IIR)滤波器或者有限冲激响应(FIR)滤波器。此外，均衡器也可以实现为IIR或者FIR滤波器。

滤波器325、330和335，求和节点355、以及均衡器320也可以分离地实现或者集成在单一设备中。例如，滤波器325、330和335，求和节点355以及均衡器320可以在诸如图4中的PC计算机400上实现。计算机400包括用于执行运算的处理器405，用于存储编程指令的只读存储器(ROM)430，以及可以包括RAM存储器、FLASH存储器、EEPROM存储器或者任何其他可重写存储器的主存储器425。主存储器425存储临时数据、指令等。计算机400也包括用于控制显示设备460的显示控制器420，用于控制硬盘445和/或CD-ROM驱动器440的磁盘控制器435，以及用于控制指针设备450和键盘455的I/O接口410。总线415互连所有上述组件。

硬盘驱动器445和CD-ROM驱动器440可以集成到计算机400中，或者可以是可拔插的。同样，至少一部分主存储器425也可以是可拔插的。尽管未在图4中显示，I/O接口410也可以连接到网络、电话系统、WiFi网络、蜂窝网络、WAN、LAN等。

频率响应(H₀、H₁、H₂和H₃)和求和节点355也可以实现在计算机400上，以作为实用程序、背景演示或操作系统组成部分，或者这些的任意组合，以使得与处理器405和诸如Microsoft VISTA、UNIX、SOLARIS、LINUX、Apple MAC-OS和本领域技术人员公知的其他系统的操作系统来协同运行。

另外，滤波器325、330和335，求和节点355、以及均衡器320也可以一起地或者分离地实现在硬件中，在诸如FPGA、ASIC、微控制器、PLD的设备上，或者诸如光盘的其他计算机可读介质上。

滤波器325、330、335，求和节点355以及均衡器320一起组合来自麦克风元件340、345和350的电脉冲，以产生对于高架环形麦克风的整体频率响应，其由下式给出：

$H(\mathrm{\ω},\mathrm{\β})=H_3[2H_0\left(\mathrm{\ω}\right)+2H_1\cos (\mathrm{\ωd}*\frac{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{c})+2H_2\cos (2\mathrm{\ωd}*\frac{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{c})],$

其中，ω、β和c在上面定义。

图5包括对于具有等于0.02米的距离(d)的桌面高架环形麦克风的一系列极性响应。该极性响应仅对0°至180°之间的角度做了定义，因为该高架环形麦克风所放置的桌子阻挡了来自180°至360°角度的任何声波。每个图对应高架环形麦克风在不同频率的响应。作为例子介绍了100赫兹、240赫兹、577赫兹、1,386赫兹、3,330赫兹和8,000赫兹的频率。但是，对于任何频率都可以产生高架环形麦克风的响应。

图6是对应于滤波器325的频率响应(H₀)的幅度响应图。在图6中包括了线性响应(上图)和以分贝表示的响应(下图)，并且实线对应0.02米的距离(d)，而虚线对应0.1米的距离(d)。滤波器325可以实现为线性相位(FIR)滤波器，但是其他诸如IIR滤波器或者模拟滤波器的实施也是可能的。

图7是对应于滤波器330的频率响应(H₁)的幅度图。包括线性刻度图(上图)和以分贝刻度图(下图)。实线对应0.02米的距离(d)，而虚线对应0.1米的距离(d)。同样的，滤波器330可以实现为线性相位FIR滤波器、IIR滤波器、或者模拟滤波器。

图8是对应于滤波器340的对0.02米的距离(d)(实线)和0.1米的距离(d)(虚线)的频率响应(H₂)的幅度图。上图是线性标度的，而下图是以分贝表示的。滤波器340可以实现为线性相位FIR滤波器、IIR滤波器、或者模拟滤波器。

在图9中包括了对应于均衡器320的作为线性标度图(上图)和对数(分贝)标度图(下图)的频率响应(H₃)的幅度图。均衡器320可以实现为IIR滤波器、自适应滤波器、模拟滤波器等。另外，在图9中，实线对应0.02米的距离(d)，而虚线对应0.1米的距离(d)。

在低频处均衡器320的增益可以放大麦克风元件340、345和350产生的内部噪声，这并非期望的。此外，均衡器320的低频增益也可以放大A/D转换器噪声、量化噪声，或者由于数值舍入而产生的噪声。

一种减少来自上述源的噪声的方法是将滤波器325、330和335配置为具有80赫兹的高通滚降频率的带通滤波器。低于80赫兹的频率衰减最小程度地影响声音质量，但是降低了麦克风、A/D转换器、量化和/或数值舍入噪声的影响。

或者，均衡器320的一些低频增益可以转移到滤波器325、330和335，这些滤波器具有每八量级12分贝的斜度。这可以减少源于在滤波器325、330和335或之后的数值/量化噪声问题。此外，为了换得在低频处消除噪声的滤波器响应，方向图在低频处的一些降级是可以接受的。同样，为了降低系统噪声，在高频灵敏度图中的一些降级是可以接受的。

图10是根据本公开的另一个高架环形麦克风的示例性实施例。在图10中，四个全向麦克风元件1065、1070、1075和1080用于降低系统噪声的影响。麦克风元件1080直接置于桌面1085，而麦克风元件1065、1070和1075关于垂直轴与麦克风1080对准。麦克风1075以距离(d)位于麦克风1080之上，麦克风1070以两倍于距离(d)位于麦克风1080之上，而麦克风1065以四倍于距离(d)位于麦克风1080之上。另外，麦克风1080连接到滤波器1030和1045，麦克风1075连接到滤波器1040，麦克风1070连接到滤波器1025和1035，而麦克风1065连接到滤波器1020。

滤波器1020、1025和1030是低频滤波器，它们的输出在低频求和节点1015处相加。低频求和节点1015的输出被低频均衡器1010均衡，然后由低通滤波器1005滤波。同样地，滤波器1035、1040和1045是高频滤波器，它们的输出在高频求和节点1050处相加。高频求和节点1050的输出被高频均衡器1055均衡，然后由高通滤波器1060滤波。低通滤波器1005的输出和高通滤波器1060的输出在求和节点1000处相加，以获得高架环形麦克风的输出。

操作上，麦克风1070、1075和1080捕获高频声波，并将其转换为电脉冲，以使得由滤波器1035、1040和1045滤波。滤波器输出被高频求和节点1050加在一起，然后由高频均衡器1055均衡。然后高通滤波器1060去除残留在均衡器1055输出中的任何低频分量。

同样地，麦克风1065、1070和1080捕获低频声波，并将其转换为电脉冲，以使得由滤波器1020、1025和1030滤波。然后滤波器输出被低频求和节点1015加在一起，然后由均衡器1010均衡。低通滤波器1005去除任何残留的高频分量。然后低通滤波器1005和高通滤波器1060的输出被求和节点1000加在一起，以形成总体的高架环形麦克风输出。

因此，图10的高架环形麦克风使用近间距在一起的麦克风1070、1075和1080来捕获高频声波，以及间距更远的麦克风1065、1070和1080来捕获低频声波。换言之，H_LP和H_HP分别是低通滤波器和高通滤波器。对于系统的低频路径，H_L0，H_L1，H_L2和H_L3对应之前描述的单路系统中的滤波器H₀，H₁，H₂和H₃，但是变量k被代替为2k。对于系统的高频路径，H_H0，H_H1，H_H2和H_H3对应之前描述的单路系统中的滤波器H₀，H₁，H₂和H₃。

这种双路系统实现了高频高架环形灵敏度图和低频高架环形灵敏度图，从而去除系统噪声而不扭曲麦克风灵敏度。对本领域技术人员显而易见的是，图10的双路系统可以扩展到三路系统、四路系统或者甚至n路系统，其中n是任何正整数。另外，可以组合任何上述降低系统噪声的技术，以进一步优化高架环形麦克风的性能。

尽管参考全向麦克风元件做出了上述讨论，但是在不背离本公开的精神下，也可以使用其他麦克风元件。例如，可以使用光麦克风和/或MEM麦克风。如果包括麦克风的所有部件组装在同一硅晶片或者同一小硅片上，MEM麦克风具有允许更好部件匹配的优点。当然，滤波器响应(H₀、H₁、H₂)和均衡器响应(H3)可能必须相应的修改。

如本发明人所认识到的，本文描述的高架环形麦克风与方位角无关，使其更适合其中多个说话人和/或移动的声源需要在多个方向上良好灵敏度的视频电话会议环境。另外，对于桌面上的音频源和麦克风正上方的音频源，该高架环形麦克风具有几乎为零的灵敏度。因此显著地降低了噪声干扰，并且由于高架环形麦克风是定向麦克风，其固有地限制了混响声。

描述的与麦克风相关联的方法可以包含于、或者用于视频电话会议系统。

显然，根据上面的技术可以做出许多本发明的修改和变化。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，可以用除本文所具体描述的之外的方式来实现本发明。

Claims (18)

1.一种高架环形麦克风包括：

第一麦克风元件组件，其包括邻近支撑面布置的第一麦克风元件以及连接于所述第一麦克风元件的第一滤波器，所述第一滤波器具有第一频率响应(H₀)；

第二麦克风元件组件，其包括在距所述支撑面预定距离(d)处布置的第二麦克风元件以及连接于所述第二麦克风元件的第二滤波器，所述第二滤波器具有第二频率响应(H₁)；

第三麦克风元件组件，其包括在距所述支撑面两倍于所述预定距离(d)处布置的第三麦克风元件以及连接于所述第三麦克风元件的第三滤波器，所述第三滤波器具有第三频率响应(H₂)；

加法器，其被配置为把所述第一、第二和第三麦克风组件的输出组合到加法器输出中；以及

均衡器，其被配置为响应于所述加法器输出产生均衡的输出，

其中，对所述高架环形麦克风，所述第一频率响应(H₀)、所述第二频率响应(H₁)和所述第三频率响应(H₂)的组合产生高架环形方向图，并且

其中，所述高架环形方向图在对应于相对所述支撑面为0度、90度和180度的仰角(β)处具有最小灵敏度，

其中，均衡器频率响应(H₃)对应于在相对所述支撑面30至60度的仰角(β)处的平坦总体高架环形麦克风频率响应。

2.根据权利要求1所述高架环形麦克风，其中，所述预定距离(d)不大于与所述高架环形麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

3.根据权利要求1所述高架环形麦克风，其中，所述第一、第二和第三麦克风元件是全向麦克风。

4.根据权利要求1所述高架环形麦克风，其中，所述第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和均衡器中的每一个是数字滤波器。

5.根据权利要求2所述高架环形麦克风，其中，均衡器频率响应(H₃)对应于在相对所述支撑面45度的仰角(β)处的平坦总体高架环形麦克风频率响应。

6.根据权利要求5所述高架环形麦克风，其中，所述均衡器频率响应(H₃)包括在80Hz的低频滚降。

7.根据权利要求2所述高架环形麦克风，其中，ω是角频率，c是空气中的声速，并且

$k=\frac{\mathrm{\ω}\·d}{c},$

H₀＝cos(k)-cos(2·k)，

H₁＝cos(2·k)-1，

H₂＝1-cos(k)。

8.一种高架环形麦克风包括：

第一麦克风元件，其邻近支撑面布置，并且连接于具有第一低频响应(H_L0)的第一低频滤波器和具有第一高频响应(H_H0)的第一高频滤波器；

第二麦克风元件，其在距所述支撑面预定距离(d)处布置，并且连接于具有第二高频响应(H_H1)的第二高频滤波器；

第三麦克风元件，其在距所述支撑面两倍于所述预定距离(d)处布置，并且连接于具有第二低频响应(H_L1)的第二低频滤波器和具有第三高频响应(H_H2)的第三高频滤波器；

第四麦克风元件，其在距所述支撑面四倍于所述预定距离(d)处布置，并且连接于具有第三低频响应(H_L2)的第三低频滤波器；

高频加法器，其被配置为用来组合来自所述第一、第二和第三高频滤波器的输出；

低频加法器，其被配置为用来组合来自所述第一、第二和第三低频滤波器的输出；

高频均衡器，其被配置为均衡所述高频加法器的输出；

低频均衡器，其被配置为均衡所述低频加法器的输出；

高通滤波器，其被配置为滤波所述高频均衡器的输出；

低通滤波器，其被配置为滤波所述低频均衡器的输出；以及

加法器，其被配置为用来组合所述高通滤波器的输出和所述低通滤波器的输出，

其中，对所述高架环形麦克风，所述第一低频响应(H_L0)、所述第二低频响应(H_L1)和所述第三低频响应(H_L2)的组合产生低频高架环形方向图，而所述第一高频响应(H_H0)、所述第二高频响应(H_H1)和所述第三高频响应(H_H2)的组合产生高频高架环形方向图。

9.根据权利要求8所述高架环形麦克风，其中，所述高架环形方向图在对应于相对所述支撑面为0度、90度和180度的仰角(β)处具有最小灵敏度。

10.根据权利要求9所述高架环形麦克风，其中，所述预定距离(d)不大于与所述高架环形麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

11.根据权利要求8所述高架环形麦克风，其中，所述第一高频滤波器、第二高频滤波器、第三高频滤波器、第一低频滤波器、第二低频滤波器、第三低频滤波器、低频均衡器、高频均衡器、低通滤波器、和高通滤波器中的每一个是数字滤波器。

12.根据权利要求10所述高架环形麦克风，其中，所述高频均衡器的频率响应和所述低频均衡器的频率响应组合，以产生在相对所述支撑面为45度的仰角(β)处的麦克风的平坦总体麦克风频率响应。

13.根据权利要求10所述高架环形麦克风，其中，所述高频均衡器的频率响应和所述低频均衡器的频率响应组合，使得在总体麦克风频率响应中产生在80Hz处的低频滚降。

14.根据权利要求12所述高架环形麦克风，其中，ω是角频率，c是空气中的声速，并且

$k=\frac{\mathrm{\ω}\·d}{c},$

H_H0＝cos(k)-cos(2·k)，

H_H1＝cos(2·k)-1，

H_H2＝1-cos(k)，

H_L0＝cos(2·k)-cos(4·k)，

H_L1＝cos(4·k)-1，

H_L2＝1-cos(2·k)。

15.一种在高架环形麦克风中建立高架环形方向图的方法，所述方法通过下述步骤来实现：

把来自位于支撑面的第一麦克风的音频波形转换为相应的第一音频数据；

把来自位于距所述支撑面预定距离(d)处的第二麦克风的音频波形转换为相应的第二音频数据；

把来自位于距所述支撑面两倍于所述预定距离(d)处的第三麦克风的音频波形转换为相应的第三音频数据；

根据第一频率响应(H₀)滤波所述第一音频数据；

根据第二频率响应(H₁)滤波所述第二音频数据；

根据第三频率响应(H₂)滤波所述第三音频数据；

组合所滤波的第一、第二和第三音频数据；以及

均衡所组合的音频数据，

其中，所述第一频率响应(H₀)、所述第二频率响应(H₁)和所述第三频率响应(H₂)组合，使得为所述高架环形麦克风产生高架环形方向图，并且

其中，所述高架环形方向图在对应于相对所述支撑面为0度、90度和180度的仰角(β)处具有最小灵敏度，

其中，均衡器频率响应(H₃)对应于在相对所述支撑面30至60度的仰角(β)处的平坦总体高架环形麦克风频率响应。

16.根据权利要求15所述方法，其中，所述预定距离(d)不大于与所述麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

17.根据权利要求16所述方法，其中，所述高架环形麦克风的整体频率响应在相对所述支撑面为45度的仰角(β)处是平坦的。

18.根据权利要求16所述方法，其中，ω是角频率，c是空气中是声速，并且

$k=\frac{\mathrm{\ω}\·d}{c},$

H₀＝cos(k)-cos(2·k)，

H₁＝cos(2·k)-1，

H₂＝1-cos(k)。