CN104581463A - 麦克风阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种球形麦克风阵列，所述球形麦克风阵列包含：声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
Description
技术领域
本公开涉及麦克风阵列，尤其涉及用在模态波束成形系统中的球形麦克风阵列。
背景技术
基于麦克风阵列的模态波束成形系统通常包括：均匀地分布在立体球或虚拟球的表面上用于将声音转换成电音频信号的多个麦克风的球形麦克风阵列；以及将由所述麦克风产生的音频信号组合以形成表示至少一部分声学声场的听觉场景的模态波束成形器。此组合允许取决于声信号的传播方向来拾取声信号。因而，麦克风阵列有时还被称作空间滤波器。球形麦克风阵列展现出低和高的频率极限，使得可仅在有限频率范围内准确地描述声场。低频率极限基本上是在所述阵列中的特定麦克风的指向性与此频率范围中的波长和必需的高程度放大相比较弱时产生，这导致(自)噪声的高程度放大且因此致使需要限制可用频率范围直至达到下限频率。可以通过空间混叠效应来阐释高频率问题。与时间混叠类似，空间混叠发生在对空间函数(例如，球谐函数)欠采样时。例如，为了辨别16个谐波，需要至少16个麦克风。另外，位置以及(取决于所用的球类型)麦克风的指向性都是重要的。空间混叠频率表征了在其中可使用球形麦克风阵列而不会产生任何明显混叠的频率范围的上临界频率。减少空间混叠的非所要效应是普遍所希望的。
发明内容
球形麦克风阵列可包含：声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。所述麦克风阵列还包括求和电路，所述求和电路将由所述至少两个麦克风产生的电信号加总以提供音频输出信号。所述求和电路经配置以通过麦克风特定加权因子使所述电信号中的每一者衰减。所述麦克风特定加权因子经配置以在所述麦克风上提供窗口函数。
球形麦克风阵列可包含：声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
在查看了以下图式和详细说明之后，其他系统、方法、特征和优点将为本领域的技术人员所显而易见或将变成显而易见。希望所有此类额外系统、方法、特征和优点将包含在本说明书中、将包含在本发明的范围内、且受以下权利要求书保护。
附图说明
参考以下图式和说明，可更好地理解所述系统。图式中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图式中，相同的元件符号遍及不同视图表示对应的部件。
图1是用在模态波束成形器系统中的示例性麦克风阵列的示意图。
图2是与图1中所示的球对应的具有切顶二十面体的形状的替代衍射结构的顶视图。
图3是成形为倒置球冠的具有声音反射表面和第一麦克风贴片的凹穴的横截面图。
图4是成形为倒置球冠的具有声音反射表面和第二麦克风贴片的凹穴的横截面图。
图5是连接在图3和图4的麦克风贴片下游的求和电路的电路图。
具体实施方式
图1是用在模态波束成形器系统2中的麦克风的公共阵列1(本文中被称作麦克风阵列1)的示意图，所述模态波束成形器系统2还包含连接在麦克风阵列1下游的波束成形器单元3。麦克风贴片4可按规则或半规则方式设置在刚性球的表面上。模态波束成形器3可包含分解器(也被称作本征波束成形器)、转向单元、补偿单元以及求和单元。麦克风阵列1中的每一麦克风贴片4产生音频信号，所述音频信号经由某一合适(例如，有线或无线)连接而传输到模态波束成形器单元3。
例如，麦克风阵列1可包括32个安装在任选凹穴5中的麦克风贴片4，所述凹穴5布置在采取“切顶二十面体”图案的充当衍射结构的声学刚性球6的表面处。将球的表面分割成相等的区域只有五种可能性。这五种几何形状(它们被称作规则多面体或柏拉图立体)分别由四个、六个、八个、12个和20个面组成。与规则分割接近的另一几何形状(它因此被称作“半规则”或“准规则”)是切顶二十面体，切顶二十面体是顶点被切掉(因此被称作“切顶”)的二十面体。此导致由20个六边形和12个五边形组成的立体。其他可能的麦克风布置可基于(例如)其他类型的柏拉图立体、阿基米德立体或卡塔兰立体。
柏拉图立体是具有规则多边形的全等面且相同数目的面会合于每一顶点处的规则凸多面体。五种立体满足这些准则，且每一立体以其面的数目来命名：四面体(四个面)、立方体或六面体(六个面)、八面体(八个面)、十二面体(十二个面)和二十面体(二十个面)。阿基米德立体是由在相同顶点中会合的两种或两种以上规则多边形组成的高度对称、半规则凸多面体。它们与柏拉图立体不同，柏拉图立体是由在相同顶点中会合的仅一种多边形组成。卡塔兰立体或阿基米德对偶是阿基米德立体的对偶多面体。卡塔兰立体全是凸的。它们是面可传递的而非顶点可传递的。这是因为对偶阿基米德立体是顶点可传递的且不是面可传递的。与柏拉图立体和阿基米德立体不同，卡塔兰立体的面不是规则多边形。然而，卡塔兰立体的顶点图是规则的，且它们具有恒定的二面角。另外，卡塔兰立体中有两种是边可传递的：斜方十二面体和斜方三十面体。这些多面体是两个半规则阿基米德立体的对偶多面体。卡塔兰立体中有两种是手性的：五角二十四面体和五角六十面体，它们是手性扭棱立方体和扭棱十二面体的对偶多面体。球形麦克风阵列可包含：声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
这些各自提供两个对映体。不将对映体计算在内，总共有13个卡塔兰立体。
与图1中所示的球对应且具有切顶二十面体7的形状的更一般的衍射结构示意性地示出于图2中。明确地说，切顶二十面体7经配置以承载32个麦克风且包含二十面体9(具有20个面(即，六边形)的柏拉图立体)和十二面体8(具有12个面(即，五边形)的柏拉图立体)。在此类布置中，十二面体8的12个五边形放置于球的极点处(每一极点处有六个五边形)且其余20个六边形沿赤道放置，致使此处具有稍高的传感器密度，此类布置在声学应用中提供了较高准确性，因为人类也是在水平面中比在垂直平面中具有较高的定位准确性。麦克风贴片4的中心的位置设置在多边形(例如，六边形和五边形)的中心处。
一般来说，使用的麦克风贴片越多，即，麦克风间的距离越短，上限频率将越高。另一方面，成本随麦克风的数目而增加。上限频率(也被称作空间混叠频率)表征了在其中可使用球形麦克风阵列而不会产生任何明显混叠的频率范围的上临界频率。
在图1中所示的布置中，位于五边形的中心处的每一麦克风贴片4(通过其中心表示)具有与之相距0.65a的五个相邻麦克风贴片，其中a是球6的半径。位于六边形的中心处的每一麦克风贴片4具有六个相邻麦克风贴片，其中三个是与之相距0.65a且另外三个是与之相距0.73a。应用采样定理且采用最坏的情况，当半径a＝5cm时，最大频率是4.7kHz。实际上，可预期稍高的最大频率，因为大多数麦克风距离小于0.73a，即0.65a。可通过减小球的半径来增大上频率极限。另一方面，减小球的半径将会降低低频率下的可实现指向性。
改善球形麦克风阵列的一种方式是使麦克风更具指向性。这背后的理论是每一传感器的指向性应尽可能地接近所希望的模式(本征波束)，这对应于具有零贡献的高度数谐波。如美国专利申请公开2007/0110257A以及Nicolas Epain和Jerome Daniel在2008年5月17日至20日在荷兰阿姆斯特丹举行的音频工程学会的124次大会上发表的论文“改善球形麦克风阵列(Improving Spherical MicrophoneArrays)”中公开的，可通过将全向麦克风设置在球内的凹穴的底端处来获得更具指向性的感测。
防止麦克风接收高度数球谐波的另一种方法是使用空间低通滤波，即，使麦克风对球的表面上的声场的快速变化不那么敏感。如果所述阵列中的每一麦克风都能够测量其角位置四周的扩大区域上的声场，那么这是可能的。这可以通过使用较大振膜的麦克风来实现。这些麦克风将其振膜上的压力变化整合，这可被看作是空间低通滤波。
在本文中描述的麦克风阵列中，凹穴5经成形以形成空间低通滤波器和聚焦元件，使得收集从与球的周边垂直的方向进入凹穴中的声音并在最少衰减的情况下将所述声音传递给麦克风。可(例如)通过开口面积大于麦克风的振膜面积的凹穴形状来提供低通滤波。可通过将沿与球的周边垂直的轴进入凹穴中的声波集中在将布置有相应麦克风的特定点处的凹穴形状来实现聚焦。从非垂直方向进入的波由凹穴的壁反射(衍射)，频率越高，此反射越有效。具有较低频率的波仍将到达凹穴的底部，可将中心麦克风设置在凹穴的底部处，因为在凹穴的边缘处发生衍射效应。截止频率由凹穴在其边缘处的直径决定。随着传入声音的频率增大，来自倾斜方向的声音反射更多，部分被从凹穴反射走，使得它不能到达设置在凹穴中的麦克风。频率越高且直径越大，空间低通效应越大。
图3示出了成形为倒置球冠10的具有声音反射(即，固体)表面的凹穴5。球冠可以是通过平面切掉的球的一部分。如果这个平面穿过球的中心使得球冠的高度等于球的半径，那么所述球冠被称作圆顶或半球。因此，倒置球冠10是此类球冠配合到其中的凹穴。在倒置球冠10中，即，在凹穴5中，设置了九个全向麦克风11a至11i，所述麦克风可具有小振膜。一个麦克风(即，任选的全向中心麦克风11a)设置在凹穴的底端与凹穴5的孔隙13的中心之间的(虚拟)中心线12上。中心线12可垂直于孔隙平面来布置。其他麦克风(即，全向周边麦克风11b至11i)设置在(虚拟)椭圆形线(本实例中为圆形线14)上，所述椭圆形线对向圆形14的中心、与由圆形线14产生的表面垂直。作为椭圆形线的特殊情况的圆形线结合完全的二十面体形状来使用。
周边麦克风11b至11i等距地布置在圆形线14上，以与中心麦克风11a一起形成规则的麦克风图案，本文中也被称作麦克风贴片。图3的底部示出了透过孔隙看向凹穴5的底端的视图中的贴片。图3的上部是麦克风11d、11a和11h的布置的截面图，其中孔隙13处于顶部而凹穴的底端处于底部。如可看到，麦克风11d、11a和11h从两个角度来看都排成一直线(线15)，使得麦克风11d、11a和11h的正面共面且中心麦克风11a不设置在凹穴5的底端处。
图4示出了布置在凹穴5中的可能替代贴片。所述替代贴片包含(例如)九个麦克风16a至16i。一个麦克风(即，全向中心麦克风16a)设置在凹穴的底端与凹穴5的孔隙13的中心之间的中心线12上。其他麦克风(即，全向周边麦克风16b至16i)设置在两条(虚拟)圆形线17和18上。中心线12对向圆形线17和18的中心、与由圆形线17和18产生的表面垂直。周边麦克风16b至16e等距地布置在(内)圆形线17上，且周边麦克风16f至16i等距地布置在(外)圆形线18上。如可从图4的上部看到，中心麦克风16a和线17和18上的麦克风布置在离孔隙13不同的距离处。布置在(外)圆形线18上的周边麦克风16f至16i比布置在(内)圆形线17上的周边麦克风16b至16e更接近于孔隙15。中心麦克风16a设置在凹穴5的底端处且因此布置在离孔隙15最远距离处。或者，凹穴5可成形为倒置圆形抛物面。中心麦克风可设置在倒置圆形抛物面的焦点处(例如，在图4所示的布置中)。
参看图5，可使用求和电路19来将图3和图4中所示的贴片中的麦克风相耦合。求和电路19包含(例如)具有反相输入端、非反相输入端和输出端的运算放大器20。电阻器21连接在运算放大器20的输出端与反相输入端之间，且麦克风11a至11i或16a至16i经由电阻器22a至22i连接到反相输入端。非反相输入端连接到参考点23。技术方案1至10中任一项的麦克风阵列，还包括求和电路，所述求和电路将由至少两个周边麦克风和任选的中心麦克风产生的电信号加总以提供音频输出信号。电阻器22a至22i可具有不同电阻，且求和电路19可因此通过麦克风特定加权因子(例如特定麦克风上的窗口函数)来使每一电麦克风信号衰减。
波束成形器的可用频谱范围通常取决于相邻麦克风的距离。空间混叠在极限频率下存在，此距离越短，极限频率将越高。此外，尤其在考虑模态波束成形时，必须以使得将满足某些准则(例如，标准正交性的原理(例如，标准正交性误差矩阵将趋向于零))的方式将麦克风放置在基体的表面处。通过环绕基体的表面处的这样一点(它标记了标准正交性的中心)将若干麦克风分组在贴片中，可扩展此类麦克风阵列的可用频率范围。可通过模拟或数字电路来容易地对所有放置在一个贴片内的麦克风进行求和，最终采用经加权的麦克风信号。尽管使用较高数目的麦克风，但是用于后处理的通道的数目等于贴片的数目，且后续信号处理负载因此不会增加。在使用麦克风贴片时可能发生的其他正面效应是麦克风振膜面积增大，这导致指向性增加，但贴片产生的噪声小于具有与贴片相同的麦克风振膜面积的单个麦克风所产生的噪声。减噪NR可描述如下：NR[dB]＝10log10(Qp)，其中Qp是每贴片中麦克风的数目。
虽然已描述了本发明的各种实施方案，但是本领域的普通技术人员将清楚在本发明的范围内更多的实施方案和实现方式是可能的。因此，除了依照所附权利要求书以及其等效物之外，本发明不受任何限制。
Claims (11)
1.一种球形麦克风阵列，其包括：
声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及
至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上，其中
所述麦克风阵列还包括求和电路，所述求和电路将由所述至少两个麦克风产生的电信号加总以提供音频输出信号；
所述求和电路经配置以通过麦克风特定加权因子使所述电信号中的每一个电信号衰减；且
所述麦克风特定加权因子经配置以提供所述麦克风上的窗口函数。
2.如权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述声音衍射结构具有至少两个规则或半规则凸多面体的组合的形状，所述凸多面体具有规则多边形的全等面。
3.如权利要求1或2所述的麦克风阵列，其中所述声音衍射结构具有二十面体、十二面体或其组合的形状。
4.如权利要求1所述的麦克风阵列，其中多个麦克风设置在多条椭圆形线上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
5.如权利要求1所述的麦克风阵列，其中至少一条椭圆形线是圆形线。
6.如权利要求5所述的麦克风阵列，其中所述圆形线的中心设置在对向二十面体的中心的中心线上。
7.如权利要求1所述的麦克风阵列，其还包括设置在所述中心线上的全向麦克风。
8.如权利要求1所述的麦克风阵列，其还包括沿所述衍射结构的周边而设的至少一个凹穴，其中至少两个全向麦克风设置在所述至少一个凹穴中。
9.如权利要求8所述的麦克风阵列，其中所述至少一个凹穴成形为倒置球冠或倒置圆形抛物面。
10.如权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述凹穴的壁经配置以反射声音。
11.一种球形麦克风阵列，其包括：
声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及
至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
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