CN102611960A - 宽频段超指向性话筒阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及音响技术领域，具体是一种宽频段超指向性话筒阵列。该话筒阵列用于处理倍频程的B个频段的声音，其包括依次连接的拾音器、放大器、模数转换器、数字信号处理器和输出转换器；拾音器包括N个线性排列的传声器，N个传声器划分成B组；放大器的N路输入分别与各个传声器连接；模数转换器的N路输入分别与放大器的N路输出连接；数字信号处理器包括B个用于对声音信号进行信号分割与混音处理的混音模块，各个混音模块与输出转换器连接。本发明的话筒阵列可以用较少的传声器为各个混音模块提供同等数量的传声器信号，并且使得话筒阵列对全频段内的声音都有较强的指向性，可以对目标拾音方向的各个频率的声音进行较准确和清晰的还原。

Description

宽频段超指向性话筒阵列

技术领域

本发明涉及音响技术领域，具体是一种宽频段超指向性话筒阵列。

背景技术

若传声器在特定方向灵敏度较高，而其余方向(角度)的灵敏度较低，则该传声器具有指向特性。具有指向性的传声器可以增强特定方向(目标声源方向)的声音信号，并削弱其他方向的噪音信号，从而提高对目标声音拾取的清晰度和准确度。话筒阵列(或称为麦克风阵列)是指按一定距离排列放置的一组传声器。话筒阵列通过声波抵达阵列中每个传声器之间的微小时间差的相互作用，从而得到比单个传声器更好的指向性。下面对话筒阵列的指向性原理进行简单说明(可参考杜功焕、朱哲民、龚秀芳编写的《声学基础(第二版)》第6章内容)。

图1为n个等距排列的一组传声器，相邻传声器之间的距离为L，发声源S和传声器m_i之间的距离为r_i，假设声源S为无指向性声源，声音振幅为A，则声源S到达各传声器位置的声压P_i为：

$P_i=\frac{A}{r_i}{e}^{j(\mathrm{wt}-{\mathrm{kr}}_i)}$

设各个传声器的灵敏度均为m，则传声器m_i拾取到的电信号强度V_i为：

$V_i=\frac{\mathrm{mA}}{r_i}{e}^{j(\mathrm{wt}-{\mathrm{kr}}_i)}$

n个传声器拾取到的电信号强度加起来的电压V为：

$V={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{\mathrm{mA}}{r_i}{e}^{j(\mathrm{wt}-{\mathrm{kr}}_i)}........................\left(1\right)$

对于远场，声源点到达各传声器的距离相近，以中心话筒和声源之间的距离r代替，则公式(1)可化解为：

$V=\frac{\mathrm{mA}}{r}{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kr})}\·\frac{\sin \left(\mathrm{kn\Δ}\right)}{\sin \left(\mathrm{k\Δ}\right)}$ 其中 $\mathrm{\Δ}=\frac{L}{2}\sin \mathrm{\θ},$

由此可见，由于从各个传声器到声源S的声程不一样，拾取到的电信号出现干涉，其结果导致不同方向的电信号不一样，即出现指向性，其指向性为：

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\left(V\right)\mathrm{\θ}}{\left(V\right)\mathrm{\θ}=0}=\left|\frac{\sin \left(\mathrm{kn\Δ}\right)}{n\·\sin \left(\mathrm{k\Δ}\right)}\right|$

综上所述，指向性跟声程差与波长的比值及传声器的个数有关。当kΔ＝mπ(m＝0，1，2，…)时，D(θ)＝1，在方向上出现极大值，其中对应θ＝0的为主极大值，其余为副极大值，为了使第一个副极大值不出现，必须满足l＜λ(λ为声波的波长)。此时话筒阵列在其中心垂直方向上具有极强的指向性。

现有话筒阵列只能在较窄频率范围内实现强指向性，若需要在较宽频率范围内都有指向性，则需要针对各个声音频段单独设置专门的传声器组。例如6个拾音频段，每个频段设置5个传声器，就总共需要30个传声器。这样不仅会使得话筒阵列的传声器的数量非常多，增加制造成本，而且体积也会比较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种传声器数量较少的宽频段超指向性话筒阵列，使其在较宽声音频率范围内都具有强指向性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种宽频段超指向性话筒阵列，其中：

该话筒阵列用于处理1/1倍频程的B个频段的声音，其包括依次连接的拾音器、放大器、模数转换器、数字信号处理器和输出转换器；

所述拾音器包括N个线性排列的传声器，

其中N为奇数，所述N个传声器划分成B组：

第1组有M个传声器，各传声器的间距

F_1c为第1频段的中心频率；

第i组传声器设有个传声器，2≤i≤B，传声器分布在第i-1组传声器的两外侧，每侧有个传声器，位于同一侧的相邻传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁，且第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为L_i，F_ic为第i频段的中心频率；

所述放大器包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与各个所述传声器连接；

所述模数转换器包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与所述放大器的N路输出连接；

所述数字信号处理器包括B个用于对声音信号进行信号分割与混音处理的混音模块，各个混音模块与所述输出转换器连接，其中，

第1个混音模块与所述N个传声器中的间距为L₁的M个传声器所对应的模数转换器的M个输出端连接，该第1个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

第i个混音模块与所述N个传声器中的间距为L_i的M个传声器所对应的模数转换器的M个输出端连接，该第i个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

改进之一：所述混音模块包括相互连接的高通滤波器和低通滤波器，该高通滤波器的截止频率为该所述混音模块处理的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率为该所述混音模块处理的声音频段的下限频率，且该高通滤波器与该所述混音模块对应的所述模数转换器的M个输出端连接，该低通滤波器与所述输出转换器连接。

改进之二：所述混音模块包括带通滤波器，该带通滤波器的带宽与该所述混音模块处理的声音频段频相应，该带通滤波器的一端与该所述混音模块所对应的所述模数转换器的M个输出端连接，另一端与所述输出转换器连接。

改进之三：所述数字信号处理器还包括依次连接的增益放大器、均衡器、延时器，所述模数转换器的各个输出端通过该增益放大器、均衡器、延时器与相应的所述混音模块连接，其中该增益放大器与所述模数转换器的各个输出端连接，该延时器与相应的所述混音模块连接。

改进之四：所述数字信号处理器还包括依次连接的混音器、输出均衡器、输出增益调节器，各个所述混音模块通过该混音器、输出均衡器、输出增益调节器与所述输出转换器连接，其中该混音器与各个所述混音模块连接，该输出增益调节器与所述转换器连接。

改进之六：所述输出转换器包括输入端、AES转换输出端和数模转换输出端，其中该输入端与所述数字信号处理器连接。

与现有技术相比，有益效果是：本发明的话筒阵列可以用较少的传声器为各个混音模块提供同等数量的传声器信号，并且使得话筒阵列对全频段内的声音都有较强的指向性，可以对目标拾音方向的各个频率的声音进行较准确和清晰的还原。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为传声器的布置示意图；

图3为数字信号处理器的结构示意图；

图4为混音模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的宽频段超指向性话筒阵列包括依次连接的拾音器10、放大器20、模数转换器30、数字信号处理器40和输出转换器50。该话筒阵列用于拾取1/1倍频程的B个频段的声音，每个频段有M个传声器拾取声音。

该拾音器10包括N个线性排列的传声器，其中N为奇数，N个传声器被划分成B组(可参考图2)：

第1组有M个传声器，各传声器的间距

F_1c为第1频段的中心频率；

第2至第B中的任意一组用第i组(2≤i≤B)表示，第i组传声器的数量q_i为上取整函数，

第i组的传声器分布在第i-1组传声器的两外侧(即当前组传声器分布在前一组传声器的两外侧)，每侧有

个传声器，位于同一侧的相邻传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁，且第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为L_i(即第i组传声器在第i-1组传声器的两外侧以间距L_i进行布置)，F_ic为第i频段的中心频率。

根据上述说明，本发明的拾音器10共有

个传声器，与各个频段单独设置一定数量的专门传声器方式相比，本发明的传声器数量相对较少。例如假设话筒的拾音频段为6个，每个频段设置5个传声器，若采用原有方式则需要30个传声器，而本发明只需要

个传声器，与原有方式相比减少了一半数量的传声器。

如图1所示，该放大器20包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与各个传声器连接。该模数转换器30包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与放大器20的N路输出连接。

该数字信号处理器40包括B个用于对声音信号进行信号分割与混音处理的混音模块，各个混音模块与输出转换器50连接，其中(可参考图3)：

第1个混音模块与上述N个传声器中的间距为L₁的M个传声器所对应的模数转换器30的M个输出端连接，第1个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

根据传声器阵列的指向性原理，这M个传声器对于波长大于传声器间距L₁的声音(即频率小于2×F_1c的声音)具有指向性，并且不会出现副极大值。而第1个混音模块的拾音频率上限仅为

小于2×F_1c，因此第1个混音模块对于在其拾音频段范围的声音信号均具有指向性，并且不会出现副极大值。

第i个混音模块与上述N个传声器中的间距为L_i＝2^(i-1)×L₁的M个传声器所对应的模数转换器30的M个输出端连接，该第i个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

本发明采用的是1/1倍频程，当前频段中心频率是前一频段中心频率的2倍，即因此，当前频段的下限频率等于前一频段的上限频率，即

各混音模块的拾音频段可以相互衔接。

基于上述传声器的分布方式和上述混音模块与传声器连接的方式，部分传声器将为一个以上的混音模块提供声音信号，例如位于中央位置的传声器将同时为所有的混音模块提供声音信号，又例如与中央位置传声器间隔为2L₁的两个传声器则同时为第1混音模块和第2混音模块提供信号，最终各个混音模块(包括第1至第B个)都可以接收到同等数量(均为M个)传声器的信号。

虽然各个混音模块接收到的传声器信号数量是相同的，但是各个混音模块所对应的传声器的间距有所不同。第1个混音模块对应的M个传声器的间距为L_i，第i个混音模块对应的M个传声器的间距为L_i＝i×L₁。根据传声器阵列的指向性原理，第i个混音模块所对应的这M个传声器对于波长大于L_i的声音(即频率小于2×F_ic的声音)具有指向性，并且只出现主极大值而不出现副极大值。而第i个混音模块的拾音频段上限仅为

小于开始出现副极大值的频率2×F_ic。因此，同样地，第i个混音模块对于其拾音频段范围的声音信号也都具有指向性，且不会出现副极大值。

综上所述，本发明采用特别的构造和连接方式，使得话筒阵列可以用较少的传声器为各个混音模块提供同等数量的传声器信号，并且使得话筒阵列对全频段内的声音都有较强的指向性，可以对目标拾音方向的各个频率的声音进行较准确和清晰的还原。

此外，本发明的混音模块用于对声音信号进行信号分割与混音处理，具体可以采用高通滤波器搭配低通滤波器的方式或直接采用带通滤波器的方式对该混音模块所接收到的声音信号进行滤波。

若混音模块采用高通滤波器和低通滤波器组合滤波的方式，则该高通滤波器的截止频率为该混音模块处理的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率则为该混音模块处理的声音频段的下限频率，并且该高通滤波器还与该混音模块对应的模数转换器30的M个输出端连接，该低通滤波器与输出转换器50连接。当然，高通滤波器和低通滤波器的位置可以交换，即也可以由低通滤波器与模数转换器30的输出端连接，并由高通滤波器与输出转换器50连接。

若混音模块采用带通滤波器滤波的方式，则该带通滤波器的一端与该混音模块所对应的模数转换器30的M个输出端连接，另一端与输出转换器50连接。此外，带通滤波器的带宽应该和该混音模块处理的声音频段频相应，带通滤波器的两个剪切频率与该混音模块所设定的声音频段的上、下限频率对应。

在工作时，混音模块将分割出该混音模块所设定的上限频率和下限频率之间的声音信号。这些声音信号的波长都小于该混音模块所对应传感器的间距，根据等距传声器阵列的指向性原理，混音模块可以实现对拾音频段内声音的强指向性。各个混音模块分别处理各自拾音频段内的声音，并且各自拾音频段内的声音都有较强的指向性，因此话筒阵列对在全频段内各个频率声音都有的强指向性控制，从而实现话筒阵列的宽频段超指向性控制。

此外，数字信号处理器40还可以进一步包括增益放大器、均衡器和延时器。模数转换器30的输出的各路声音信号可以依次经过增益放大器41、均衡器42和延时器43的处理后再传输给相应的混音模块，其中增益放大器与模数转换器30的各个输出端连接，延时器与相应的混音模块连接。

进一步的，数字信号处理器40还可以包括依次连接的混音器45、输出均衡器46、输出增益调节器47，前述各个混音模块通过该混音器、输出均衡器、输出增益调节器与输出转换器50连接，其中混音器与各个混音模块连接，输出增益调节器与转换器连接。输出转换器50包括输入端、AES转换输出端和数模转换输出端，输入端与数字信号处理器40连接，其中AES转换输出端输出音频信号，数模转换输出端则输出模拟信号。

下面以具体实例对本发明作进一步说明。

实例一：假设将拾音范围划分为1/1倍频程的3个频段，各频段的中心频率分别为400Hz，800Hz，1600Hz，话筒阵列实现强指向性的频率下限为 $\frac{400\mathrm{Hz}}{\sqrt{2}}=283\mathrm{Hz},$ 频率上限为 $1600\mathrm{Hz}\×\sqrt{2}=2263\mathrm{Hz},$ 即话筒阵列在283Hz至2262Hz范围内的声音均具有强指向性。若每频段拾音传声器的数量为5，则话筒阵列传声器的总数量

这9个传声器划分成3组。

如图2所示，这9个传声器被分成3组。其中，第1组有5个传声器m3’、m2’、m1、m2、m3，第2组有

个传声器m4’、m4，第3组有2个传声器m5’、m5，第2组的2个传声器m4’、m4分别设置在第1组传声器两外侧，且L₂＝2L₁，L₃＝2L₂。

如图2所示，此话筒阵列有3拾音频段，每个拾音频段均有5个传声器提供信号。其中，m3’、m2’、m1、m2、m3负责第1频段的拾音，m4’、m3’、m1、m3、m4负责第2频段的拾音，第m5’、m4’、m1、m4、m5负责第3频段的拾音。

如图3所示，此话筒阵列的数字信号处理器40包括增益放大器41、均衡器42和延时器43、混音模块、混音器45、输出均衡器46、输出增益调节器47。拾音器10的9个传声器通过增益放大器41、均衡器42和延时器43分别与第1至第3混音模块提供声音信号，其中，m3’、m2’、m1、m2、m3为第1混音模块P1提供信号，m4’、m3’、m1、m3、m4为第2混音模块P2提供信号，m5’、m4’、m1、m4、m5为第3混音模块提供信号。

如图4所示，本实例的各个混音模块采用高通滤波器441和低通滤波器442组合滤波，对于第1混音模块P1，高通滤波器的截止频率为话筒阵列第1拾音频段的上限频率低通滤波器的截止频率为话筒阵列第1拾音频段的下限频率

其他混音模块类推。

实例一：假设将拾音范围划分为1/1倍频程的6个频段，各频段的中心频率分别为100Hz，200Hz，400Hz，800Hz，1600Hz，3200Hz，话筒阵列实现强指向性的频率下限为 $\frac{100\mathrm{Hz}}{\sqrt{2}}=70\mathrm{Hz},$ 频率上限为 $3200\mathrm{Hz}\×\sqrt{2}=4525\mathrm{Hz},$ 即话筒阵列在70Hz至4525Hz范围内的声音均具有强指向性，该频段是人声的主要频段。

若每频段传声器的数量为5，则该话筒阵列传声器的总数量为

若每频段传声器的数量为9，则该话筒阵列传声器的总数量为

若每频段传声器的数量为11，则该话筒阵列传声器的总数量为

Claims (6)

1.一种宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：

该话筒阵列用于处理1/1倍频程的B个频段的声音，F_1c为第1频段的中心频率，F_ic为第i频段的中心频率，2≤i≤B，其包括依次连接的拾音器、放大器、模数转换器、数字信号处理器和输出转换器；

所述拾音器包括N个线性排列的传声器，

其中N为奇数，所述N个传声器划分成B组：

第1组有M个传声器，各传声器的间距

第i组传声器设有

个传声器，传声器分布在第i-1组传声器的两外侧，每侧有

个传声器，位于同一侧的相邻传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁，且第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为L_i；

所述放大器包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与各个所述传声器连接；

所述模数转换器包括N路输入和N路输出，其N路输入分别与所述放大器的N路输出连接；

所述数字信号处理器包括B个用于对声音信号进行信号分割与混音处理的混音模块，各个混音模块与所述输出转换器连接，其中，

第1个混音模块与所述N个传声器中的间距为L₁的M个传声器所对应的模数转换器的M个输出端连接，该第1个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

第i个混音模块与所述N个传声器中的间距为L_i的M个传声器所对应的模数转换器的M个输出端连接，该第i个混音模块处理的声音频段下限为

上限为

2.根据权利要求1所述的宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：所述混音模块包括相互连接的高通滤波器和低通滤波器，该高通滤波器的截止频率为该所述混音模块处理的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率为该所述混音模块处理的声音频段的下限频率，且该高通滤波器与该所述混音模块对应的所述模数转换器的M个输出端连接，该低通滤波器与所述输出转换器连接。

3.根据权利要求1所述的宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：所述混音模块包括带通滤波器，该带通滤波器的带宽与该所述混音模块处理的声音频段频相应，该带通滤波器的一端与该所述混音模块所对应的所述模数转换器的M个输出端连接，另一端与所述输出转换器连接。

4.根据权利要求2或3所述的宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：所述数字信号处理器还包括依次连接的增益放大器、均衡器、延时器，所述模数转换器的各个输出端通过该增益放大器、均衡器、延时器与相应的所述混音模块连接，其中该增益放大器与所述模数转换器的各个输出端连接，该延时器与相应的所述混音模块连接。

5.根据权利要求2或3所述的宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：所述数字信号处理器还包括依次连接的混音器、输出均衡器、输出增益调节器，各个所述混音模块通过该混音器、输出均衡器、输出增益调节器与所述输出转换器连接，其中该混音器与各个所述混音模块连接，该输出增益调节器与所述转换器连接。

6.根据权利要求1至3任一所述的宽频段超指向性话筒阵列，其特征在于：所述输出转换器包括输入端、AES转换输出端和数模转换输出端，其中该输入端与所述数字信号处理器连接。

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