CN107925817A - 夹式麦克风组件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种夹式麦克风组件，其包括：夹式机构(16)，其用于将所述麦克风组件(10)附接到用户(11)的衣服；至少三个麦克风(20、21、22)，其用于捕获来自所述用户的声音的音频信号，所述麦克风定义麦克风平面；加速度传感器(32)，其用于通过感测在至少两个正交维度上的重力加速度来生成取向信号；音频信号处理单元(34)，其用于根据所捕获的音频信号产生输出音频信号(36)，所述音频信号处理单元包括：波束形成器单元(24)，其用于以创建具有方向的声学波束的方式处理所捕获的音频信号，以便生成所述输出音频信号；DOA单元(30)，其用于通过分析所捕获的音频信号来确定声音的到达方向；以及控制单元(26)，其用于控制波束形成单元，所述控制单元适于根据所述取向信号确定所述声学波束的方向的允许的角扇区(40)，并且根据所确定的到达方向将所述声学波束的方向操纵在所述允许的角扇区内。

Description

夹式麦克风组件
技术领域
本发明涉及一种夹式麦克风组件，其要被附接到用户的衣服上以生成对应于用户的声音的输出音频信号，并且包括具有波束形成器单元的音频信号处理单元，以用于以一方式处理所捕获的音频信号，从而创建声学波束。这样的麦克风组件通常形成无线声学系统的部分；例如，麦克风组件的输出音频信号可以被发送到助听器。
背景技术
对于有听力障碍的人，在噪声中和/或较大距离上的语音理解是一个严重的挑战。在这种情况下，拾取接近讲话者的声音的源(即靠近讲话者的嘴部)的讲话者的声音的无线麦克风的使用是非常有用的，因为助听器本身可能不能够提供助听器的佩戴者的语音理解所需的信噪比。
通常，无线麦克风的目的是改进在嘈杂和/或混响环境中远处讲话者的语音的信噪比。为此目的，无线麦克风组件必须放置在讲话者的嘴部附近。此外，无线麦克风组件通常具有特定方向性，从而允许关于期望的语音进一步衰减环境噪声。
尽管在大多数情况下悬挂式(boom)麦克风提供了最好的性能，但由于某些原因，用户往往不喜欢这种解决方案。例如，大多数悬挂式麦克风系统需要复杂的固定，例如在耳朵上，并且因此难以放置。此外，由于悬挂式麦克风靠近嘴部放置，所以可能会涉及到卫生。而且，悬挂式麦克风的佩戴方式通常是相当突出的。
因此，更优选的备选解决方案可以是使用通过夹式机构附接到讲话者的衣服的夹式麦克风组件。典型的佩戴方式如图1所示：麦克风组件可以夹在衣领上(参见图1的左侧部分)，其可以直接夹在衣服上(图1的中央部分)，或其可以夹在纽扣之间(图1的右侧部分)。
如前所述，麦克风组件应尽可能地靠近人的嘴部放置。此外，对于具有方向性的麦克风组件，必须特别注意将麦克风组件正确地引导到讲话者的嘴部。图2中示出了定向麦克风组件的放置的三个范例：图2的左侧部分图示了麦克风组件在其朝向嘴部取向并且被定位为靠近嘴部的意义上被正确佩戴的情况；在图2的中心部分所示的范例中，麦克风组件被放置为离开嘴部太远；而在图2的右侧部分所示的范例中，麦克风组件放置为靠近嘴部，但并不指向嘴部。因此，对于不熟练的用户而言，正确的麦克风放置是困难的任务，在没有可用的直接声学反馈的情况下，例如在讲话者不能检查他/她自己的声音拾取的情况下更甚。
WO 2009/049646 A1涉及一种包括无线麦克风布置和两个助听器的无线助听系统，其中，应用于麦克风布置中的音频信号处理中的音频信号处理方案根据麦克风布置的所测量的加速度和空间取向来选择；音频信号处理方案的选择包括对声学波束形成器的所应用的增益和启用/停用的调节，其中，波束形成器的方向可以被自动地调节到最强声源的方向。
WO 2011/157856 A2涉及一种无线麦克风组件，其包括用于检测麦克风组件的下落事件的加速度传感器，以便在下落事件期间中断麦克风组件的音频信号输出。
US 8804978 B2涉及一种包括波束形成器麦克风布置的移动电话，其中，根据如由加速度计确定的移动电话的倾斜角度来调节波束形成器的方向。
US 8150063 B2涉及一种包括波束形成器麦克风阵列和取向传感器的移动电话，其用于关于固定的目标音频源调节波束形成器的方向，以补偿如由取向传感器检测到的移动电话的移动。
US 2014/0270231 A1和US 2014/0093091 A1涉及一种听力系统，所述听力系统包括由两个耳塞以及安装在耳机线上的麦克风阵列形成的耳机，每个耳塞包括加速度计和两个麦克风。耳机线麦克风用作波束形成器，所述波束形成器自动地朝向用户的嘴部操纵，如通过所捕获的音频信号中的能量内容所检测的；加速度计用于检测有声语音。
US 7912237 B2涉及一种用于助听器的笔状无线麦克风布置，包括用作波束形成器的布置在行中的三个麦克风，其中，根据麦克风布置的测量的取向来控制波束形成动作；例如，当检测到麦克风组件的垂直取向时，波束形成器被关闭，并且当检测到水平定向时，波束形成器被接通。
WO2015/024602A1涉及一种麦克风布置，包括用作波束形成器的三个麦克风和用于确定麦克风布置的错位的加速度传感器；所述布置还包括用于音乐呈现的扬声器，其中，加速度传感器可以用作用于在检测到摇动运动的情况下在要播放的歌曲之间切换的遥控器。
US 8406436 B2涉及一种麦克风布置，包括多个非放射状取向的定向麦克风。
US2014/0192998A1涉及一种用于听筒(earpiece)的远程麦克风布置，其包括两个定向麦克风和具有加速度计的声音活动检测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种夹式麦克风组件，其允许在提供输出音频信号的高信噪比的同时方便地使用。
另一个目的是提供一种用于根据用户的声音生成音频输出信号的相应的方法。
根据本发明，这些目的分别通过根据权利要求1所述的传声器组件和根据权利要求24所述的方法来实现。
本发明的有益之处在于，通过根据测量的麦克风组件的取向来确定声学波束的方向的允许的角扇区，并根据所确定的声音的到达方向将声学波束的方向操纵在允许的角扇区内，麦克风组件能够通过自动将声学波束的方向引导朝向讲话者的嘴部来优化输出音频信号的信噪比(“SNR”)，而不考虑在附接到讲话者的衣服上时麦克风组件的实际放置/取向，假定麦克风组件被定位为相对靠近用户的嘴部。这种自动调节使得使用麦克风组件方便，因为在将麦克风组件附接到用户的衣服时不必特别小心；因此，相对简单的夹式机构也是足够的。
通常，麦克风组件形成包括至少一个耳朵级听力刺激设备(例如助听器)的无线系统的部分。具体地，麦克风组件可以由佩戴听力仪器的一类听力受损人员的老师使用。
应理解，如果麦克风波束已经“偶然地”指向正确的方向，特别是如果波束相对宽(这取决于麦克风的数量)，例如，具有大致覆盖所允许的角扇区的宽度，则波束的(另外的)角运动(操纵)可能是不必要的。
本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。
附图说明
在下文中，将参考附图来图示本发明的范例，其中：
图1和图2是夹式麦克风组件的使用情况的范例的图示；
图3是根据本发明的麦克风组件的范例的示意性透视图；
图4是根据本发明的麦克风组件的范例的框图；
图5是图示由根据本发明的麦克风组件创建的允许的波束形成扇区的示意图；
图6是根据本发明的麦克风组件在用户处的放置位置的示意性图示；
图7是图示操作根据本发明的麦克风组件的方法的范例的流程图；
图8是根据本发明的组件的具体使用情况的示意性图示；
图9是使用根据本发明的麦克风组件的无线助听系统的使用的范例；以及
图10是使用根据本发明的麦克风组件的语音增强系统的框图；
具体实施方式
图3是麦克风组件10的示意性透视范例，麦克风组件10包括具有基本上圆柱形形状的壳体12(其中，圆柱体的高度远小于圆柱体的直径，从而得到冰球状形状)，其具有第一圆形平坦表面14和平行于第一表面14的第二圆形平坦表面(图3中未示出)。麦克风组件10包括三个麦克风20、21、22，所述三个麦克风优选均匀地分布在圆上(图3中以18指示)；然而，邻近麦克风之间的角度可以是从90到180度，优选地从110到130度，三个角度的总和是360度，即也可以想到变型，其中，麦克风20、21、22不是完全均匀分布在圆18上。麦克风组件10还包括夹式机构16(在图1和图2中示意性地示出，但在图3中未示出)，以用于在靠近于用户的嘴部的位置处将麦克风组件附接到用户的衣服上。麦克风组件10被设计为以这样的方式被佩戴：两个平坦圆形表面14基本上平行于垂直方向。
通常，可以存在多于三个的麦克风。在四个麦克风的布置中，麦克风仍然可以分布在圆上，优选地均匀地分布。对于多于四个的麦克风，布置可能更复杂，例如，五个麦克风可以被理想地布置为骰子上的图5。多于五个的麦克风优选地将被放置在矩阵配置上，例如，2x3矩阵、3x3矩阵等。
在图4中示出了麦克风组件的范例的框图，根据该麦克风组件，由麦克风20、21、22从用户的声音捕获的音频信号被供应给波束形成器单元24，波束形成器单元24以一方式处理捕获的音频信号，从而创建具有特定方向和特定角度宽度的声学波束。波束形成器单元24由控制单元26控制，控制单元26从声音活动检测器(“VAD”)28、到达方向(“DOA”)单元30和加速度传感器32接收输入。波束形成器单元24、控制单元26、VAD 28和DOA单元30形成音频信号处理单元34的部分，音频信号处理单元34用于根据由麦克风20、21、22捕获的音频信号产生输出音频信号36。VAD28用于检测用户在讲话时的时间。这可以例如基于对由例如麦克风22捕获的声学信号的能量阈值的检测来完成。DOA单元30用于通过分析由麦克风20、21、22捕获的音频信号来确定声音的到达方向；为此目的，可以使用不同的算法，诸如操纵的波束形成器、基于子空间的估计或基于时间延迟估计的方法。
加速度传感器32用于通过感测由麦克风20、21、22定义的平面(其平行于壳体12的平坦圆形表面14；在图3的范例中，该平面是x-y平面)中的至少两个正交维度上的重力加速度来生成取向信号，使得可以确定麦克风20、21、22相对于垂直方向的取向。
当麦克风组件10在已经被附接到用户的衣服之后被接通时，控制单元26确定允许的角扇区40，其中，中心方向42与如由控制单元26根据由加速度传感器32所供应的取向信号确定的重力方向44(垂直方向)相反。允许的波束形成扇区40的角宽度2α可以从60至100度，优选地，70至90度(例如80度)。只要VAD单元28没有检测到声音活动，控制单元26可以中断或衰减根据麦克风20、21、22的音频信号的输出音频信号的产生，以便避免拾取噪声信号(通常，期望专门地拾取用户的声音)。
一旦已经由VAD 28检测到声音活动，控制单元26可以开始使用由DOA单元30提供的到达方向信号，以便将由波束形成器单元24生成的声学波束的方向朝向声源(期望的声源是用户的嘴部)操纵到允许的波束形成扇区内。换言之，波束形成器单元24会朝向用户的嘴部操纵声学波束的方向。声学波束的宽度可以初始设置为允许的角扇区40的宽度2α。
从图6所示的示意性图示中可以看出，允许的波束形成扇区40的角宽度2α应当被选择，使得麦克风组件10在用户的衣服处的典型放置位置落在关于用户的嘴部的扇区2α内(该角扇区2α在图6中以46指示，其中，扇区46的中心方向由垂直方向44形成)。因此，位于扇区46内的任何麦克风组件10将在落入允许的波束形成扇区40(具有角宽度2α)的方向上“看见”(see)用户的嘴部。
如果发现到达方向落入禁止的波束形成扇区48内(参见图5)，则这样的声可能不是来自佩戴麦克风组件10的用户11的声音，而是来自靠近用户11站立的另一个人15、17。这种情况在图8中示意性地图示，其中，用户11的嘴部相对于麦克风组件10的方向落入允许的波束形成扇区40内(该方向在图8中以50指示)，而人15和17的嘴部相对于麦克风组件10的方向落入禁止的波束形成扇区48内(在图8中这些方向分别以52和54指示)。当由DOA单元30检测到落入禁止的波束形成扇区48内的到达方向时，控制单元26可以中断输出音频信号的产生，或者其可以至少显著地衰减输出音频信号；具体地，在这些情况下，波束形成器单元24的波束将不会被操纵到落入禁止的波束形成扇区48内的方向。
在麦克风组件10的操作期间，控制单元26可以根据由音频信号处理单元34确定的至少一个参数来调节声学波束的宽度，从而优化输出音频信号的SNR。具体地，由波束形成器单元24产生的声学波束的宽度可以根据所确定的到达方向和/或根据所确定的到达方向随时间的变化来调节。例如，随着时间减小所确定的到达方向的变化(减小变化指示更稳定的条件)，可以减小声学波束的宽度。
此外，波束宽度可以取决于VAD语音能量水平和声音活动。例如，如果语音能量水平高，或者如果VAD频繁地或在较长的时间段上被触发，则DOA的确定也更稳定，并且波束因此可能更窄。然而，如果VAD只是很少被触发，那么波束应该是宽的。
麦克风组件10的操作的流程图在图7中示出。通常，假定声音活动已经由VAD28检测到，图7的步骤2至6，特别是到达方向的确定、波束的方向的操纵和波束的宽度的调整被定期地重复。换言之，图7所示的算法连续地循环通过步骤2至6，以便对麦克风组件进行优化操作，由此，具体地，可以补偿不同位置的头部移动和麦克风放置。
要提到的是，音频信号处理单元34中的音频信号处理通常不仅包括声学波束形成，而且还包括例如预放大、均衡、反馈消除和自动增益控制。
根据一个实施例，麦克风组件10可以被设计为(即集成在)音频信号发送单元中，以便经由无线链路将音频信号输出36发送到至少一个音频信号接收器单元，或者根据变型，麦克风组件10可以通过导线连接到这样的音频信号发送单元，即在这些情况下麦克风组件10充当无线麦克风。这样的无线麦克风组件可以形成无线助听系统的部分，其中，音频信号接收器单元是身体佩戴或耳朵级设备，其将接收到的音频信号供应给助听器或其它耳朵级听力刺激设备。这样的无线麦克风组件也可以形成房间中的语音增强系统的部分。
在这样的无线音频系统中，发送侧所使用的设备可以是例如无线麦克风组件或者具有集成的或线缆连接的麦克风组件的音频发送器，所述无线麦克风组件由房间中针对观众的讲话者所使用，所述音频发送器由教室中针对听力受损的小学生/学生的老师使用。接收器侧的设备包括头戴式耳机、各种助听器、听筒(例如用于演播室应用中的提示设备或转换通信系统)以及扬声器系统。接收器设备可以用于听力受损的人或正常听力的人；接收器单元可以经由音频鞋连接到助听器，或者可以集成在助听器内。在接收器侧，可以使用网关，其经由数字链路将接收到的音频信号中继到包括刺激模块的另一设备。
这样的音频系统可以包括在发送侧的多个设备和在接收器侧的多个设备，以用于实施通常在主-从拓扑结构中的网络架构。
除了音频信号之外，控制数据在发送单元与接收器单元之间被双向传输。这样的控制数据可以包括例如音量控制或关于接收器单元或连接到接收器单元的设备的状态的查询(例如，电池状态和参数设置)。
在图9中，示意性地示出了无线助听系统的使用情况的范例，其中，麦克风组件10用作由教室中的教师11佩戴的发送单元，以用于经由数字链路60将对应于教师的声音的音频信号发送到多个接收器单元62，多个接收器单元62被集成在由听力受损的小学生/学生13佩戴的助听器64内或连接到其。数字链路60还用于在麦克风组件10与接收器单元62之间交换控制数据。通常，麦克风布置10以广播模式使用，即相同的信号被发送到所有接收器单元62。
图10中示意性地示出了用于增强房间90中的语音的系统的范例。该系统包括麦克风组件10，以用于捕获来自讲话者11的声音的音频信号并且生成对应的经处理的输出音频信号。在无线麦克风组件的情况下，麦克风组件10可以包括用于建立无线-通常是数字-音频链路60的发送器或收发器。输出音频信号由有线连接91供应，或者在无线麦克风组件的情况下，经由音频信号接收器62供应到用于处理音频信号的音频信号处理单元94，尤其是以便对音频信号应用频谱滤波和增益控制(备选地，这样的音频信号处理或者其至少部分可以在麦克风组件10中进行)。经处理的音频信号被供应到以恒定增益或自适应增益(优选地取决于环境噪声水平)操作的功率放大器96，以便将放大的音频信号供应到扬声器装置98，以便根据经处理的音频信号生成放大的声音(这些声音由收听者99感知)。

Claims (24)

1.一种夹式麦克风组件，包括：
夹式机构(16)，其用于将所述麦克风组件(10)附接到用户(11)的衣服；
至少三个麦克风(20、21、22)，其用于捕获来自所述用户的声音的音频信号，所述麦克风定义麦克风平面；
加速度传感器(32)，其用于通过感测在至少两个正交维度上的重力加速度来生成取向信号；
音频信号处理单元(34)，其用于根据所捕获的音频信号产生输出音频信号(36)，所述音频信号处理单元包括：
波束形成器单元(24)，其用于以创建具有方向的声学波束的方式处理所捕获的音频信号，以便生成所述输出音频信号；
DOA单元(30)，其用于通过分析所捕获的音频信号来确定声音的到达方向；以及
控制单元(26)，其用于控制所述波束形成单元，所述控制单元适于根据所述取向信号确定所述声学波束的所述方向的允许的角扇区(40)，并且根据所确定的到达方向将所述声学波束的所述方向操纵在所述允许的角扇区内。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于将所述允许的角扇区(40)确定为具有与根据所述取向信号确定的重力方向(44)相反的中心方向(42)。
3.根据权利要求1和2中的一项所述的组件，其中，所述允许的角扇区(40)的角宽度(2a)为从60度至100度，优选地为从70度至90度。
4.根据前述权利要求中的一项所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于只要声音的所确定的到达方向在所述允许的角扇区(40)之外就中断输出音频信号(36)的所述产生或者衰减所产生的输出音频信号。
5.根据前述权利要求中的一项所述的组件，其中，所述音频信号处理单元(34)包括声音活动检测器(28)，并且其中，所述控制单元(26)适于一旦声音活动已经由所述声音活动检测器检测到，就开始对所述到达方向的所述确定和对所述波束的所述方向的所述操纵。
6.根据权利要求5所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于只要没有声音活动由所述声音活动检测器(28)检测到就中断或衰减输出音频信号(36)的所述产生。
7.根据前述权利要求中的一项所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于根据由所述音频信号处理单元(34)确定的至少一个参数调节所述声学波束的宽度，从而优化所述输出音频信号的信噪比。
8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于根据以下中的至少一项来调节所述声学波束的所述宽度：所确定的到达方向、所确定的到达方向随时间的变化、由声音活动检测器(28)检测到的语音能量以及所述声音活动检测器的活动水平。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于利用随时间减小所确定的到达方向的变化来减小所述声学波束的所述宽度。
10.根据权利要求8所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于利用由所述声音活动检测器(28)检测到的增加的语音能量来减小所述声学波束的所述宽度。
11.根据权利要求8所述的组件，其中，所述控制单元(26)利用所述声音活动检测器(28)的增加的活动水平而适于所述声学波束的所述宽度。
12.根据前述权利要求7至11中的一项所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于将所述声学波束的所述宽度初始地设置为所述允许的角扇区(40)的宽度。
13.根据权利要求5和6中的一项所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于定期地重复对所述到达方向的所述确定和对所述波束的所述方向的所述操纵，假定声音活动已经由所述声音活动检测器(28)检测到。
14.根据权利要求13所述的组件，其中，对所述到达方向的所述确定和对所述波束的所述方向的所述操纵的重复速率为至少每10秒。
15.根据权利要求7至12中的一项所述的组件，其中，所述控制单元(26)适于定期地重复对所述声学波束的所述宽度的所述调节。
16.根据前述权利要求中的一项所述的组件，其中，所述麦克风(20、21、22)分布在圆(18)上，并且其中，邻近麦克风之间的每个角度为从90度至180度，其中三个角度的总和为360度。
17.根据权利要求16所述的组件，其中，所述麦克风(20、21、22)近似均匀地分布在圆(18)上，并且其中，邻近麦克风之间的每个角度为从110度到130度，其中所述三个角度的总和为360度。
18.根据前述权利要求中的一项所述的组件，其中，所述麦克风组件(10)包括具有圆柱形形状的壳体(12)，并且其中，所述夹式机构(16)被设计为使得当所述麦克风组件被夹到用户的衣服时，圆柱体的两个平坦表面(14)基本上平行于垂直方向(44)。
19.一种用于向至少一个用户(13)提供声音的系统，包括根据权利要求1至18中的一项所述的麦克风组件(10)，所述麦克风组件被设计为：音频信号发送单元，其用于经由无线链路(60)发送所述音频信号；至少一个接收器单元(62)，其用于经由所述无线链路从所述发送单元接收音频信号；以及设备(64)，其用于根据从所述接收器单元供应的音频信号刺激所述一个或多个用户的听力。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述刺激设备(64)是耳朵级设备。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述刺激设备包括所述接收器单元。
22.根据权利要求20和21中的一项所述的系统，其中，所述刺激设备(64)是听力仪器。
23.一种用于房间(91)中的语音增强的系统，包括根据权利要求1至18中的一项所述的麦克风组件(10)，所述麦克风组件被设计为：音频信号发送单元，其用于经由无线链路(60)发送所述音频信号；至少一个接收器单元(62)，其用于经由所述无线链路从所述发送单元接收音频信号；以及扬声器布置(98)，其用于根据从所述接收器单元供应的所述音频信号生成声音。
24.一种用于通过使用夹式麦克风组件(10)根据用户的声音生成输出音频信号的方法，所述麦克风组件包括夹式机构(16)、定义麦克风平面的至少三个麦克风(20、21、22)、加速度传感器(32)以及音频信号处理单元(34)，所述方法包括：
将所述麦克风组件夹式机构附接到所述用户的衣服；
由所述加速度传感器通过感测至少两个正交维度上的重力加速度来生成取向信号，并且根据所述取向信号确定相对于所述麦克风组件的重力方向(44)；
经由所述麦克风捕获来自所述用户的声音的音频信号；
通过创建用于产生输出音频信号(36)的声学波束来处理所捕获的音频信号，其中：
根据所确定的重力方向确定所述声学波束的方向的允许的角扇区(40)，
通过分析所捕获的音频信号来确定声音的到达方向，
根据所确定的到达方向将所述声学波束的所述方向操纵在所述允许的角扇区内。
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