CN108630220A

CN108630220A - 一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统

Info

Publication number: CN108630220A
Application number: CN201710179380.3A
Authority: CN
Inventors: 傅慧忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-10-09

Abstract

本发明公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，应用于语音应用系统，包含：传声器阵列，包含等间距直线分布的第一、第二和第三传声器，用于多通道拾取声源信号，声源信号包括近场声源信号和远场声源信号；前置放大模块，用以对第一、第二和第三传声器的输出信号进行前置放大；相位跟踪模块，根据前置放大模块的输出信号，形成并提供一跟踪信号，用于跟踪第二传声器拾取的远场声源信号并经前置放大后输出信号的振幅及相位；声源距离识别模块，根据跟踪信号，形成一识别信号，识别信号抑制传声器阵列拾取的远场声源信号。本系统的灵敏度随声源距离的增大而减小，因此本系统可有效抑制远场声源信号，从而提高所拾取的近场声源信号的信噪比。

Description

一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统

技术领域

本发明涉及一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统。

背景技术

为了在噪声环境中(噪声声源往往在远场)有效拾取近场声源信号，通常采用波束形成技术，使传声器阵列的灵敏度具有指向性，即传声器阵列的灵敏度随声源入射角度的变化而变化。实际使用时，将传声器阵列灵敏度最高的方向对着需拾取的近场声源信号方向，这样其它方向的声源信号(例如噪声)能不同程度地被抑制。但是，指向性传声器阵列只能区别声源的方向而几乎不能区别声源的距离，因此当噪声信号的入射方向与需拾取的近场声源入射方向基本相同时，指向性传声器阵列就不能有效抑制该等噪声信号，从而降低所拾取的近场声源信号的信噪比。

有文献介绍了另一种拾取近场声源信号的传声器阵列。该传声器阵列将一组全指向性的传声器等间距地分布在圆弧上，对各个传声器的输出信号相加后得到阵列的输出信号，该传声器阵列能有效加强对圆弧中心处的声源信号拾取。但是，当远场声源信号(例如噪声)从侧面垂直入射该圆弧传声器阵列时，由于声源信号到达各传声器的时间基本相同，因此对该等远场声源信号的拾取也会得到加强，未能对其抑制；以及，在低频段，为了取得传声器之间有效的干涉效果，该圆弧形传声器阵列的线度应与声波波长相当，例如对应频率为100Hz的声波，波长为3.4米，如此线度的传声器阵列在多数场合将失去其应用价值。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了拾取近场音频声源信号，本申请揭示了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，所述系统的灵敏度随声源距离的增大而减小，因此所述系统可有效抑制远场声源信号，从而提高所拾取的近场声源信号的信噪比。

本发明进一步提供了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，应用于语音应用系统，其特征在于，包含：传声器阵列，包含等间距直线分布的第一、第二和第三传声器，用于多通道拾取声源信号，所述声源信号包括近场声源信号和远场声源信号；

前置放大模块，用以对所述第一、第二和第三传声器的输出信号分别进行相同放大量的前置放大；

相位跟踪模块，根据所述前置放大模块的输出信号，提供一跟踪信号，用于跟踪所述第二传声器拾取的所述远场声源信号并经前置放大后输出信号的振幅及相位，其中，所述跟踪信号满足：Ex＝E1×E3÷E2

其中Ex是所述跟踪信号，E1、E2和E3分别是所述第一、第二和第三传声器的输出信号经所述前置放大处理后的信号；

声源距离识别模块，根据所述跟踪信号，提供一识别信号，所述识别信号抑制所述传声器阵列拾取的所述远场声源信号；其中，所述识别信号满足：E＝Ex－E2，其中E是所述识别信号。

比较好的是，本发明进一步公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

滤波模块，根据所述声源距离识别模块的所述识别信号，对所述识别信号进行低通、高通或带通滤波处理。

比较好的是，本发明进一步公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述传声器阵列包括技术指标相同的全指向性传声器。

比较好的是，本发明进一步公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述传声器阵列包括技术指标相同的单指向性传声器。

比较好的是，本发明进一步公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述第一、第二和第三传声器两两间距为2mm～150mm。

比较好的是，本发明进一步公开了一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述前置放大模块的放大量在0dB～36dB。

本系统的灵敏度随声源距离的增大而减小，因此本系统可有效抑制远场声源信号，从而提高所拾取的近场声源信号的信噪比。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统的一较佳实施例组成示意图；

图2是在频率为1000Hz下所述实施例的系统灵敏度级之相对值(Hd)的计算结果图。

附图标记

10――传声器阵列

20――前置放大模块

30――相位跟踪模块

40――声源距离识别模块

50――滤波模块

700――声源

M1――第一传声器

M2――第二传声器

M3――第三传声器

L1――第一和第二传声器的间距

L2――第二和第三传声器的间距

R1、R2、R3――声源700分别到三只传声器的距离

θ－－声源信号入射角

P1、P2、P3――声源700分别到达三只传声器的声压

E1’、E2’、E3’――三只传声器各自的输出信号

E1、E2、E3――三只传声器的输出信号分别经相同放大量的前置放大后各自的输出信号

Ex――相位跟踪模块的输出信号，即跟踪信号

E――声源距离识别模块的输出信号，即识别信号

E₀――滤波模块的输出信号

具体实施方式

本说明书公开了结合本发明特征的一或多个实施例。所公开的实施例仅仅例示本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附的权利要求书来限定。

说明书中引用的“一个实施例”、“一实施例”、“一示例性实施例”等等表明所述的实施例可以包括特殊特征、结构或特性，但所有实施例不必包含该特殊特征、结构或特性。此外，这些短语不必涉及相同的实施例。此外，在联系一实施例描述特殊特征、机构或特性时，就认为联系其他实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识范围之内。

此外，应理解，这里使用的空间描述(例如，之上、之下、上方、左边、右边、下方、顶部、底部、垂直、水平等等)仅用于说明的目的，且这里所描述的结构的实际实现方式可以是按任何定向或方式来在空间上排列。

请参照图1所示，本发明所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统包括传声器阵列10、前置放大模块20、相位跟踪模块30、声源距离识别模块40和滤波模块50。

传声器阵列10包含等间距直线分布的第一、第二和第三传声器M1、M2、M3，用于多通道拾取声源信号。三只传声器M1、M2和M3的两两间距L1及L2通常为2mm～150mm。三只传声器的技术指标相同，这些技术指标包括但不限于灵敏度和频率频响等。三只传声器的指向特性通常是全指向性，或在一些情况下根据需要采用单指向性传声器。

外部声源700发出的声波分别由传声器阵列10中的三只传声器接收，图示中R1、R2和R3分别指声源700到达三只传声器M1、M2和M3的距离，譬如，R2是声源到传声器阵列中心即第二传声器M2的距离，该距离被视为是声源700到本系统的距离。

图1所示中，P1、P2和P3分别指到达三个传声器M1、M2和M3的声压，该声压为：

其中，i：1,2,3

A：声源振幅

k：波数

ω：圆频率

三只传声器接收声波后的输出信号(电信号)为E1’、E2’和E3’，该等输出信号为：

Ei’＝H₀Pi (2)

其中，i：1,2,3

H₀：单个传声器的灵敏度

接下来将这些传声器的输出信号E1’、E2’和E3’送入前置放大模块20，用来对传声器的输出信号分别进行相同放大量的前置放大，三只传声器经前置放大后各自的输出信号为E1、E2和E3，且满足：

Ei＝NEi’

＝NH₀Pi (3)

其中，i：1,2,3

N：前置放大量

在通常的拾取系统中，前置放大量通常在0dB～36dB。接下来，经前置放大模块20后输出的信号进入相位跟踪模块30。

需要说明的是，远场声源信号到达所述系统时，声波可近似视为平面波，到达三只传声器的声压振幅近似相等，但相位差异不能忽略。

而近场声源信号到达所述系统时，声波应视为是球面波，到达三只传声器的声压振幅一般不相等。

因此，本发明中采用相位跟踪模块30，用来使其输出的跟踪信号Ex与第二传声器M2经前置放大模块20处理后的信号E2的振幅差值及相位差值基本上随声源700距离的增加而减小。

特别是在远场声源情况下，使相位跟踪模块30的跟踪信号Ex与第二传声器M2经前置放大处理后的信号E2的振幅及相位分别近似相等，即，使得相位跟踪模块30输出的跟踪信号Ex的振幅及相位在声源信号不同入射角度情况下能自动大致跟踪第二传声器M2经前置放大处理后的信号E2的振幅及相位，这样就能在声源距离识别模块40中通过两项相减，使得输出信号E大幅衰减，达到抑制远场噪声之目的。

在远场声源情况下，相位跟踪模块30输出的跟踪信号Ex与第二传声器M2经前置放大处理后的信号E2的振幅近似相等，相位也近似相等。相位跟踪模块30具体是进行如下运算，即跟踪信号Ex：

其中：

Δ2＝R3-R2

第二传声器M2经前置放大处理后的信号E2为：

其中，

Δ1＝R2-R1

在远场声源情况下，到达三只传声器的声压振幅近似相等，即：

A/R1≈A/R2≈A/R3 (6)

相位差异不能忽略，且：

Δ1≈Δ2 (7)

因此，根据式(4)、式(5)、式(6)和式(7)，在远场声源情况下，

Ex≈E2 (8)

通过上述相位跟踪模块30计算输出的跟踪信号Ex再进入声源距离识别模块40，该模块40用来使所述系统的灵敏度随声源距离的增大而减小，因此能抑制所述传声器阵列所拾取的远场声源信号。声源距离识别模块40采用信号相减得到输出信号，即识别信号E，当不设滤波模块50时，E是所述系统的输出信号，具体运算如下：

E＝Ex-E2 (9)

这样，根据式(8)和式(9)，使得在远场声源情况下，声源距离识别模块40输出的识别信号E有很大衰减。

而在近场声源情况下，相位跟踪模块30计算获得的跟踪信号Ex的振幅和相位与第二传声器M2经前置放大处理后的信号E2的振幅和相位一般相差较大，因此就声源距离识别模块40输出的识别信号E，其近场声源情况下相对远场声源情况下有较大提升。

在一些实施例情况下，根据具体需要，用来对声源距离识别模块40的输出信号进行低通、高通或带通滤波处理，图1中示意了声源距离识别模块40输出的识别信号E进入滤波模块50后得到输出信号E₀，即是所述系统的输出信号。

本发明所述系统的灵敏度随声源距离的增大而减小，因此所述系统对远场声源信号能有效抑制，对所需的近场声源信号能有效拾取。需拾取的近场声源信号的入射角(θ)根据情况几乎可以设置在0度～360度之间的任意角度。

综上所述，本发明的核心是由三只等间距直线分布的传声器所组成的传声器阵列，涉及若干种信号处理技术，具体包括相位跟踪技术、声源距离识别技术等。

本发明的优点在于：通过简单的、容易实施的方法，实现有效抑制远场声源信号，从而提高所拾取的近场声源信号信噪比之目的。

图2揭示的较佳实施例中，三只传声器两两之间间距为等间距，即L1＝L2，间距选取为25mm，且三只传声器的灵敏度等技术指标相同，传声器指向性为全指向性，该实施例中未采用滤波模块。

图2给出了上述实施例在频率为1000Hz时本系统灵敏度级之相对值(Hd)的计算结果。其中系统的灵敏度是指：当1帕的声压作用于该系统的传声器阵列中心时，该系统的输出信号值(电压值)。

根据计算结果，如果将需拾取的近场声源距离为35mm、入射角为90度的Hd作为基准，则在频率为1000Hz和入射角为360度的范围内，当声源距离为1m时，本系统Hd下降31dB以上；当声源距离为5m时，本系统Hd下降45dB以上；当声源距离为10m时，本系统Hd下降51dB以上。

显然，所述系统的灵敏度随声源距离的增大而明显下降，对远场声源信号有明显的抑制效果，从而提高了所需拾取的近场声源信号的信噪比。

本发明所述系统灵敏度随声源距离的增大而减小的特性，完全不同于目前在近场声源信号拾取技术领域最重要技术之一的波束形成技术(波束形成技术通常是使传声器或传声器阵列的灵敏度随声源入射角度的增大而减小)，其实际意义至少包括：

与波束形成技术不同，所述系统能在360度范围内，其灵敏度随声源距离的增大而明显减小，因此能有效抑制所有方向的远场噪声；同时，所述系统对于需拾取的近场声源信号的入射角度几乎没有限制(除了几个个别角度外)。

与利用窄带效应来抑制噪声干扰的技术不同，所述系统能在宽带范围内，其灵敏度随声源距离的增大而明显减小，因此能在宽带范围内有效抑制远场噪声，从而在提高所需拾取的近场声源信号信噪比的同时，有效提高所需拾取的近场声源信号的音质。

根据计算，对于上述实施例，由于其频率响应曲线约从1000Hz开始有所提升，因此根据实际情况，可以对上述实施例的输出信号进行相应的低通滤波处理，使输出信号的频率响应平坦及进一步提高所拾取的近场声源信号的信噪比。

本发明所揭示的传声器阵列的近场声源信号拾取系统可以应用在一些语音应用系统，例如手机及语音交互系统等，作为其对近场声源信号的拾取系统。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims

1.一种基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，应用于语音应用系统，其特征在于，包含：

传声器阵列，包含等间距直线分布的第一、第二和第三传声器，用于多通道拾取声源信号，所述声源信号包括近场声源信号和远场声源信号；

相位跟踪模块，根据所述前置放大模块的输出信号，提供一跟踪信号，用于跟踪所述第二传声器拾取的所述远场声源信号并经所述前置放大后输出信号的振幅及相位，其中，所述跟踪信号满足：

Ex＝E1×E3÷E2

声源距离识别模块，根据所述跟踪信号，提供一识别信号，所述识别信号抑制所述传声器阵列拾取的所述远场声源信号；

其中，所述识别信号E满足：

E＝Ex－E2。

2.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

3.根据权利要求2所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，

所述传声器阵列包括技术指标相同的全指向性传声器。

4.根据权利要求2所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，所述传声器阵列包括技术指标相同的单指向性传声器。

5.根据权利要求3或4所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，

所述第一、第二和第三传声器两两间距为2mm～150mm。

6.根据权利要求5所述的基于传声器阵列的近场声源信号拾取系统，其特征在于，

所述前置放大模块的放大量在0dB～36dB。