CN102761806B - 多频段指向性话筒阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及音响技术领域，具体是一种宽频段强指向性话筒阵列。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混音模块和B个分割模块。本发明的话筒阵列可以用较少的传声器为各个分割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

多频段指向性话筒阵列

技术领域

本发明涉及音响技术领域，具体是一种宽频段强指向性话筒阵列。

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强指向性话筒阵列，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：

一种宽频段强指向性话筒阵列，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_1c所对应的波长为λ_1c，F_ic为第i频段的中心频率，i取整数，2≤i≤B，F_ic所对应的波长为λ_ic，该话筒阵列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，这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，这些传声器分布在第i-1组传声器的两外侧，每侧各有个，其中位于同一侧的相邻的传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁，此时，若的值为整数，则第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；若的值为非整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为

所述放大器包括N路输入和N路输出，该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，该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混音模块和B个分割模块，该分割模块用于对相应的M路音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，该混音模块用于将各个分割模块输出的音频信号进行混音处理，并将混音处理后的音频信号传输给所述输出转换器，其中，

第1个分割模块与所述N个传声器中的间距为L₁的M个传声器所对应的所述模数转换器的M路输出连接，第1个分割模块处理得到的声音频段下限为上限为

第i个分割模块的输入端与所述N个传声器中的间距为L_i的M个传声器所对应的所述模数转换器的M路输出连接，第i个分割模块处理得到的声音频段下限为上限为

改进之一：所述分割模块包括串联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分割模块处理得到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分割模块处理得到的声音频段的下限频率，且该高通滤波器与该所述分割模块对应的所述模数转换器的M路输出连接，该低通滤波器与所述混音模块连接。

改进之二：所述分割模块包括串联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分割模块处理得到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分割模块处理得到的声音频段的下限频率，且该低通滤波器与该所述分割模块对应的所述模数转换器的M路输出连接，该高通滤波器与所述混音模块连接。

改进之三：所述分割模块为带通滤波器，该带通滤波器的带宽与该所述分割模块处理得到的声音频段相应，该带通滤波器的输入端与该所述分割模块所对应的所述模数转换器的M路输出连接，输出端与所述混音模块连接。

改进之四：所述数字信号处理器还包括与所述N个传声器对应的N个输入处理模块，各个输入处理模块分别与所述模数转换器相应的输出连接，每个输入处理模块包括串联的增益放大器、均衡器、延时器，所述模数转换器的各路输出通过相应输入处理模块的增益放大器、均衡器、延时器与相应的所述分割模块连接。

改进之五：所述数字信号处理器还包括与所述混音模块串联的输出处理模块，该输出处理模块包括串联的输出均衡器和输出增益调节器，所述混音模块通过该输出处理模块与所述输出转换器连接。

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。

改进之七：所述所述M＝5，B＝3，N＝9。

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多个频段内的声音都具有有较强的指向性，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原理示意图；

图4为分割模块的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的宽频段强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。该话筒阵列可用于拾取1/1倍频程的B个频段的声音，每个频段通过M个传声器进行声音拾取。F_1c为第1频段的中心频率，F_1c对应的波长为λ_1c，F_ic为第i频段的中心频率，i取整数，2≤i≤B，F_ic＝(1/2)^i-1×F_1c，F_ic对应的波长为λ_ic。

该拾音器10包括N个线性排列的传声器，N为奇数，这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，各传声器的间距例如可以取

第2至第B组中的任意一组用第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，位于同一侧的相邻的传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁。此时，若的值为整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距(即第i-1组两外侧的传声器与第i组中最近传声器的间距为)为L_i；若的值为非整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为按照上述传声器布置方式，N个传声器中，相邻间距为L₁传声器有M个，相邻间距为L_i的传声器同样有M个。

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，该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，模数转换器30的N路输入分别与放大器20的N路输出连接。

如图3所示，该数字信号处理器40包括混音模块45和B个分割模块，各个分割模块用于对相应的M路音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，该混音模块45用于将各个分割模块输出的音频信号进行混音处理(例如混音成一路或两路输出信号)，并将混音处理后的音频信号传输给所述输出转换器50，其中：

第1个分割模块与上述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路输出连接，第1个分割模块处理得到的声音频段的中心频率为F_1c，其下限为(对应波长为)，上限为(对应波长为)，即该频段声音最小波长为(对应上限频率)，然而如前所述，这M个传声器的间距小于该频段声音的最小波长即该频段声音的波长均大于这M个传声器的间距。根据传声器阵列的指向性原理，这M个传声器对于第1个分割模块处理得到的声音频段内的声音(拾音频段内的声音)具有指向性，并且不会出现副极大值。

第i个分割模块与上述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路输出连接，该第i个分割模块处理得到的声音频段(拾音频段)的中心频率为F_ic，下限为(对应波长为)，上限为(对应波长为)，该声音频段最小的波长为

由于该频段的中心频率因此该中心频率所对应的波长λ_ic＝2^i-1×λ_1c，该声音频段的最小波长此外，由于所以这M个传声器的间距因此第i个分割模块处理得到声音的最小波长大于这M个传声器的间距L_i，根据传声器阵列的指向性原理，这M个传声器对于第i个分割模块处理得到的声音频段内的声音均具有指向性，并且不会出现副极大值。

此外，中心频率为F_i-1c的声音频段下限为上限为由于F_ic＝(1/2)^i-1×F_1c，即因此当前频段的上限频率等于前一频段的下限频率，即各分割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分割模块与传声器连接的方式，部分传声器将为一个以上的分割模块提供声音信号，例如位于中央位置的传声器将同时为所有的分割模块提供声音信号，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分割模块和第2分割模块提供信号，最终各个分割模块(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。

虽然各个分割模块接收到的传声器信号数量是相同的，但是各个分割模块所对应的传声器的间距有所不同。第1个分割模块对应的M个传声器的间距为L₁，第i个分割模块对应的M个传声器的间距为L_i＝2^(i-1)×L₁。根据传声器阵列的指向性原理，第i个分割模块所对应的这M个传声器对于波长大于L_i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。根据前述分析，第i个分割模块的拾音频段的声音的最小波长为(对应上限频率)，大于大于这M个传声器的间距L_i。因此各个分割模块对于其拾音频段范围内的声音信号均都具有指向性，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分割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(由多个连续频段组成)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，本发明的分割模块用于对输入的音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，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接收到的声音信号进行滤波处理。

若分割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分割模块处理得到的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率则为该分割模块处理得到的声音频段的下限频率。若高通滤波器在前，则该高通滤波器与该分割模块对应的模数转换器30的M路输出连接，该低通滤波器与混音模块45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，并由高通滤波器与混音模块45连接。

若分割模块采用带通滤波器滤波的方式，则该带通滤波器的输入端与该分割模块所对应的模数转换器30的M路输出连接，输出端与混音模块45连接。此外，带通滤波器的带宽应该和该分割模块处理得到的声音频段相应，带通滤波器的两个剪切频率与该分割模块所设定的声音频段的上、下限频率对应。

在工作时，分割模块将该分割模块所设定的上限频率和下限频率之间以外的音频信号去除，只剩下该上、下限频率之间的音频信号。这些音频信号对应的波长都小于该分割模块所对应的M个传声器的间距，根据等距传声器阵列的指向性原理，分割模块可以实现对拾音频段内声音的强指向性。各个分割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部频段内的声音都有的强指向性控制，从而实现话筒阵列的宽频段强指向性控制。

此外，数字信号处理器40还可以进一步包括与上述N个传声器对应的N个输入处理模块，各个输入处理模块分别与所述模数转换器30相应的输出连接，每个输入处理模块包括串联的增益放大器41、均衡器42和延时器43。模数转换器30输出的各路音频信号经过增益放大器41、均衡器42和延时器43的处理后再传输给相应的分割模块。该增益放大器41、均衡器42和延时器43的顺序位置可以根据实际需要进行调整。

进一步的，数字信号处理器40还可以包括与该混音模块45串联的输出处理模块，该输出处理模块包括串联的输出均衡器46和输出增益调节器47。该混音模块45通过该输出处理模块与所述输出转换器50连接。在本实施例中，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

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。其中，第2组传声器m4’、m4分别设置在第1组传声器两外侧，第3组传声器m5’、m5分别设置在第2组传声器的两外侧。由于为整数，因此当前组传声器与前一组传声器间相邻的传声器的距离为L_i。具体是，第2组传声器与第1组传声器间相邻的传声器m4、m3，以及m4’、m3’的间距为L₂＝2^(2-1)×L₁＝2L₁；第3组传声器与第2组传声器间相邻的传声器m5、m4，以及m5’、m4’的间距为L₂＝2^(3-1)×L₁＝4L₁＝2L₂。

如图2所示，此话筒阵列有3个拾音频段，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、分割模块、混音模块45、输出均衡器46、输出增益调节器47。拾音器10的9个传声器依次通过相应的增益放大器41、均衡器42和延时器43为第1至第3分割模块提供声音信号，其中，m3’、m2’、m1、m2、m3为第1分割模块P1提供信号，m4’、m3’、m1、m3、m4为第2分割模块P2提供信号，m5’、m4’、m1、m4、m5为第3分割模块提供信号。

如图4所示，本实例的各个分割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分割模块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分割模块类推。

实例二：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采用传统的传声器陈列布置方式，则需要30个传声器，相比之下节省了15个传声器。

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采用传统的传声器陈列布置方式，则需要54个传声器，相比之下节省了29个传声器。

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若采用传统的传声器陈列布置方式，则需要66个传声器，相比之下节省了31个传声器。

Claims (8)

1.一种多频段指向性话筒阵列，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_1c所对应的波长为λ_1c，F_ic为第i频段的中心频率，i取整数，2≤i≤B，F_ic所对应的波长为λ_ic，该话筒阵列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，这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，这些传声器分布在第i-1组传声器的两外侧，每侧各有个，其中位于同一侧的相邻的传声器的间距L_i＝2^(i-1)×L₁，此时，若的值为整数，则第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；若的值为非整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为

所述放大器包括N路输入和N路输出，该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，该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混音模块和B个分割模块，该分割模块用于对相应的M路音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，该混音模块用于将各个分割模块输出的音频信号进行混音处理，并将混音处理后的音频信号传输给所述输出转换器，其中，

第1个分割模块与所述N个传声器中的间距为L₁的M个传声器所对应的所述模数转换器的M路输出连接，第1个分割模块处理得到的声音频段下限为 $\frac{F_{1c}}{\sqrt{2}},$ 上限为 $\sqrt{2}\×F_{1c};$

第i个分割模块的输入端与所述N个传声器中的间距为L_i的M个传声器所对应的所述模数转换器的M路输出连接，第i个分割模块处理得到的声音频段下限为 $\frac{F_{1c}}{\sqrt{2}},$ 上限为 $\sqrt{2}\×F_{1c}.$

2.根据权利要1所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述分割模块包括串联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分割模块处理得到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分割模块处理得到的声音频段的下限频率，且该高通滤波器与该所述分割模块对应的所述模数转换器的M路输出连接，该低通滤波器与所述混音模块连接。

3.根据权利要求1所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述分割模块包括串联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分割模块处理得到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分割模块处理得到的声音频段的下限频率，且该低通滤波器与该所述分割模块对应的所述模数转换器的M路输出连接，该高通滤波器与所述混音模块连接。

4.根据权利要求1所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述分割模块为带通滤波器，该带通滤波器的带宽与该所述分割模块处理得到的声音频段相应，该带通滤波器的输入端与该所述分割模块所对应的所述模数转换器的M路输出连接，输出端与所述混音模块连接。

5.根据权利要求1至4任一所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述数字信号处理器还包括与所述N个传声器对应的N个输入处理模块，各个输入处理模块分别与所述模数转换器相应的输出连接，每个输入处理模块包括串联的增益放大器、均衡器、延时器，所述模数转换器的各路输出通过相应输入处理模块的增益放大器、均衡器、延时器与相应的所述分割模块连接。

6.根据权利要求1至4任一所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述数字信号处理器还包括与所述混音模块串联的输出处理模块，该输出处理模块包括串联的输出均衡器和输出增益调节器，所述混音模块通过该输出处理模块与所述输出转换器连接。

7.根据权利要求1至4任一所述的多频段指向性话筒阵列，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。

8.根据权利要求1至4任一所述的多频段指向性话筒阵列，其特征在于：所述所述M＝5，B＝3，N＝9。