CN110830895A - 麦克风装置及其指向性调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种麦克风装置及其指向性调整方法，该麦克风装置包括：掩模；电路板，耦接该掩模且包括第一音孔与第二音孔；集成电路，耦接该掩模与该电路板以形成第一腔室与第二腔室；第一麦克风，被配置于该第一腔室中，用以经由该第一音孔对一音源提取一第一音讯信号；以及一第二麦克风，被配置于该第二腔室中，用以经由该第二音孔对该音源提取一第二音讯信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的感度、相位、及全向性；其中，该集成电路耦接该第一麦克风与该第二麦克风，并将该第二音讯信号进行一时间延迟处理，并将该第一音讯信号与延迟后的该第二音讯信号相减以产生一差分信号，用于依据该差分信号形成该麦克风装置的一极性图样。

Description

麦克风装置及其指向性调整方法
技术领域
本发明涉及麦克风装置，特别是涉及一种麦克风装置及其指向性调整方法。
背景技术
目前的麦克风装置大多为电容式麦克风，其中微机电(micro-electromechanical system(MEMS))麦克风已受到广泛的使用。微机电麦克风采用微机电系统，而微机电系统可在一装置内整合电子、电机或机械的多种功能。因此微机电麦克风可具备尺寸小、省电、容易安装以及抗干扰等优势。
一般而言，采用多个麦克风(例如MEMS麦克风)的麦克风装置可具有较佳的声音感度(sensitivity)及信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)及方向性。采用多个麦克风会使得麦克风装置在封装后的体积增加，可能对于麦克风装置的应用产生影响。
此外，若将导音管的机构设计安装于麦克风装置中来延伸麦克风之间的距离，可以增加麦克风阵列的信噪比及方向性。但是，若利用固定机构的导音管的设计以延伸麦克风之间的距离，其麦克风的指向性会变成固定的极性图样(polar pattern)。若语音或噪音的方向特性发生变化而转移位置，则麦克风会提供错误的音讯信号给后续噪音消除程序，进而使得语音的识别率大幅降低。
因此，需要一种麦克风装置及其指向性调整方法以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种麦克风装置，包括：一掩模；一电路板，耦接该掩模且包括一第一音孔与一第二音孔；一集成电路，耦接该掩模与该电路板以形成一第一腔室与一第二腔室；一第一麦克风，被配置于该第一腔室中，用以对一音源提取一第一音讯信号；以及一第二麦克风，被配置于该第二腔室中，用以对该音源提取一第二音讯信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的感度、相位、及全向性。其中，该集成电路耦接该第一麦克风与该第二麦克风，并将该第二音讯信号进行一时间延迟处理，并将该第一音讯信号与延迟后的该第二音讯信号相减以产生一差分信号，用于依据该差分信号形成该麦克风装置的一极性图样。
本发明更提供一种指向性调整方法，用于一麦克风装置，该麦克风装置包括一掩模；一电路板，耦接该掩模且包括一第一音孔与一第二音孔；一集成电路，耦接该掩模与该电路板以形成一第一腔室与一第二腔室；一第一麦克风，被配置于该第一腔室中；以及一第二麦克风，被配置于该第二腔室中，该方法包括：利用该第一麦克风及该第二麦克风分别对一音源提取一第一音讯信号及一第二音讯信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的感度、相位、及全向性；利用该集成电路将该第二音讯信号进行一时间延迟处理；将该第一音讯信号与延迟后的该第二音讯信号相减以产生一差分信号；以及依据该差分信号形成该麦克风装置的一极性图样。
本发明更提供一种电子装置，包括：至少三个前述的麦克风装置，设置于该电子装置的一外壳上的不同位置；以及一处理器，用以依据各麦克风装置的该第一麦克风及该第二麦克风所提取的该第一音讯信号及该第二音讯信号以辨识该音源与该电子装置的方向及距离；其中该处理器更依据所辨识的该音源的距离以自动切换各麦克风装置的该极性图样为指向性或全向性。
附图说明
以下图示配合之后所列举详细实施方式，将帮助了解本发明内容，其中：
图1为本发明实施例的麦克风装置100的示意图；
图2为本发明实施例中的麦克风装置的极性图；
图3为本发明实施例中的数字信号延迟处理的示意图；
图4A～图4C为本发明实施例中的麦克风装置的极性图；
图5A为本发明实施例中的麦克风装置的麦克风接收音讯信号的示意图；
图5B为本发明实施例中的麦克风装置的虚拟麦克风的示意图；
图5C为本发明一实施例中使用被动式到达时间差的指向性调整方法的示意图；
图5D为本发明一实施例中的麦克风装置的原始极性图及改变后的极性图的示意图；
图6为本发明实施例中使用主动式到达时间差的指向性调整方法的示意图；
图7为本发明实施例中包含主动式及被动式到达时间差的处理的指向性调整方法的流程图；
图8A为本发明实施例中的一电子装置的示意图；
图8B～图8E为本发明图8A的实施例中的不同麦克风装置的极性图；
图9A为本发明实施例中使用不同导音管配置的麦克风装置的极性图；
图9B为本发明实施例中使用不同配置的麦克风阵列的极性图。
具体实施方式
以下叙述列举本发明的多种实施方式。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照权利要求界定之。
图1是依据本发明实施例的麦克风装置100的示意图。麦克风装置100包括掩模101、电路板102、集成电路103、麦克风110与麦克风120。集成电路103耦接掩模101与电路板102以形成腔室CH1与腔室CH2。腔室CH1中的麦克风110包括振膜111。腔室CH2中的麦克风120包括振膜121。电路板102耦接掩模101且包括音孔104与音孔105，且音孔104与音孔105相隔距离d0。
在一些实施例中，麦克风110、120为微机电(micro-electro mechanical system(MEMS))装置，且可形成一麦克风阵列。在一些实施例中，集成电路103例如可为一应用导向集成电路，其包括数字电路(例如可执行数字信号处理的电路)、模拟电路(例如运算放大器)与模拟/数字转换电路。在另一些实施例中，集成电路103可为一数字信号处理器(digital signal processor)或一微控制器(microcontroller)。
在一些实施例中，集成电路103的数字电路可以内建相关的演算法(例如TimeDifference of Arrival(TDOA)、Differential Microphone Arrays(DMA)或AdaptiveDifferential Microphone Arrays(ADMA)Algorithm)，进而使麦克风装置100具备智能化的功能。举例而言，麦克风装置100可依据外界环境所对应的参数(例如语音方向/距离、背景音量等等)，通过上述演算法自动地切换应用模式(例如切换至较佳的信噪比)、动态范围(例如切换至更大的动态范围)或指向性方向与波束(Beam)角度。此外，集成电路103的模拟电路(例如运算放大器)可以提供相同或相异的电压至各麦克风，用于调整麦克风装置100的声音敏感度以及声音增益。
在一些实施例中，集成电路103可直接连接并控制麦克风110、120。在一些实施例中，集成电路103可通过导体(或导线)连接至电路板102，再通过其他导体耦接至麦克风110、120，由此提供电压至麦克风110、120并且接收、处理麦克风110、120基于声音所产生的信号。
在一些实施例中，掩模101的材质为金属，并且于掩模101上形成凹槽VP。另一方面，当掩模101的材质为金属时，掩模101的厚度可以减少并且仍然具有足够的刚性，由此可进一步减少麦克风装置100的体积。
在一些实施例中，麦克风装置100将集成电路103设计为形成腔室CH1、CH2的组成元件之一(与掩模101、电路板102耦接)，因此原本用以形成腔室CH1、CH2之间的墙面结构可被集成电路103的一部分体积所取代，使麦克风装置100的体积可进一步的减少而提高麦克风阵列中的每个麦克风的腔室体积，故可提升麦克风阵列的每一个麦克风的感度进而提升麦克风的信噪比。
在一些实施例中，腔室CH1与腔室CH2的体积相同。此外，腔室CH1中的麦克风110与集成电路103的配置与腔室CH2中的麦克风120与集成电路103的配置相同。在此情况下，麦克风110所对应的环境与麦克风120所对应的环境基本上相同。因此，集成电路103在处理麦克风110、120所产生的信号以及执行麦克风装置100的指向性功能时，可降低受到麦克风110与麦克风120之间的环境误差所造成的影响，进而提升麦克风装置100的指向性的准确度。
此外，当腔室CH1与腔室CH2的体积相同，且腔室CH1中的麦克风110与集成电路103的配置与腔室CH2中的麦克风120与集成电路103的配置相同时，由于麦克风装置100不需要在腔室CH1、CH2中各自设置一集成电路，即可将腔室CH1与腔室CH2内部的配置设计成彼此相同。因此，麦克风装置100的体积可实现微小化的目标。
在一些实施例中，集成电路103可将相同的电压提供至麦克风110、120，使麦克风110的振膜111与麦克风110的背板(未图示)之间的距离，相同于麦克风120的振膜121与麦克风120的背板(未图示)之间的距离，由此让麦克风110、120具备有相同的声音敏感度，进而使麦克风装置100的具有较佳的信噪比。在一些实施例中，集成电路103具有动态调整麦克风装置100的声音增益的功能，由此达到声学过载点(acoustic overload point(AOP)140dB的目标。
如图1所示，音孔104的位置对应振膜111的位置，使振膜111可通过音孔104接收声音信号；而音孔105的位置对应振膜121的位置，使振膜121可通过音孔105接收声音信号。在一些实施例中，麦克风装置100外部的一第一声音信号可分别通过音孔104、105传递至麦克风110与麦克风120。由于音孔104、105之间相隔长度d0，因此当第一声音信号具有一特定的传递方向时，第一声音信号的第一部分声音信号传递至振膜111的时间，可与第一声音信号的第二部分声音信号传递至振膜121的时间相同，由此使麦克风装置100具有指向性(directivity)。在一些实施例中，长度d0为音孔104的中心点与音孔105的中心点之间的距离。
在一些实施例中，由音孔104传递至振膜111的声音信号(例如上述第一声音信号的第一部分声音信号)不会传递至振膜121，而由音孔105传递至振膜121的声音信号(例如上述第一声音信号的第二部分声音信号)不会传递至振膜111。在此情况下，传递至腔室CH2中的麦克风120的声音信号，不会干扰腔室CH1中的麦克风110；同样地，传递至腔室CH1中的麦克风110的声音信号，不会干扰腔室CH2中的麦克风120。因此，麦克风110、120所个别接收的噪声皆可被降低，进而提升麦克风装置100的指向性效能。
图2是依据本发明实施例中的麦克风装置的极性图。
请同时参考图1及图2。在一些实施例中，集成电路103可控制麦克风110、120并且处理麦克风110、120所接收的声音信号，用于控制麦克风装置100的指向性。举例而言，集成电路103可将麦克风110或麦克风120所接收的声音信号加入一时间延迟，用于达成自动地调整麦克风装置100的指向性。在一些实施例中，集成电路103使用主动/被动TDOA及配合虚拟麦克风信号技术演算法以达到更佳的语音识别能力，其细节将详述于后。此外，麦克风装置100中的音孔104及105(例如可视为前/后音孔)的位置在同一平面上且是分别通过振膜111及121接收声音信号。集成电路103在接收与振膜111及121所相应的麦克风110及120所接收的声音信号后，可对此两个声音信号进行逻辑运算，用于达到自动调整麦克风装置100为全指向性，且全指向性的声音感度(sensitivity)约可增加6dB。
举例来说，若麦克风110及120具有相同的感度，极性图样P2可表示麦克风110所接收的音讯信号XF或麦克风所接收的音讯信号XB。极性图样P3可表示音讯信号XF及XB相加的结果。极性图样P1可表示音讯信号XF及XB直接相减的结果。集成电路103利用极性图样P1～P3经过运算后可得到极性图样P4，其中极性图样P4相较于极性图样P2，在正前方(0度角)及正背面(180度角)的声音感度高了大约8dB，且在两侧的270角度及90度角可得到较佳的降噪效果。
图3为本发明实施例中的数字信号延迟处理的示意图。在一实施例中，若音源来自方向310，且麦克风110及120所分别接收到的音讯信号为XF及XB。因为麦克风110及120之间的距离为d0，故麦克风120所接收到的音讯信号XB相较于麦克风110所接收到的音讯信号XF，会有一时间延迟τ0，其中时间延迟τ0可用下列方程式(1)表示：
Figure BDA0001776784400000061
其中d0为麦克风110及120之间的距离；c为音速。
然而，需注意的是，因为麦克风装置100的体积很小，故麦克风110及120之间的距离d0也很短。因此，麦克风110及120所接收到的音讯信号XF及XB的低频成分很相近，且所计算出的时间延迟τ0的数值也相当小。因此，时间延迟τ0的数值并不利于集成电路103进行后续的数字信号处理。
在一实施例中，集成电路103可利用一有限脉冲响应滤波器(finite impulseresponse filter，FIR filter)320将麦克风110或麦克风120所接收的声音信号加入一虚拟时间延迟τdelay。举例来说，在图3的例子中，集成电路103可将麦克风120所接收到的声音信号XB加入一虚拟时间延迟τdelay，且集成电路103更将麦克风110所接收到的音讯信号XF与经过时间延迟τ0加上虚拟时间延迟τdelay的音讯信号X′B相减，以得到差分信号Pd。集成电路103是以差分信号(differential signal)Pd进行后续运算。
详细而言，当使用麦克风阵列(例如麦克风110及120)中的各麦克风所接收的音讯信号以计算麦克风装置的指向性时，各麦克风之间的距离在合理范围中通常是愈远愈好。意即，若各麦克风之间的距离相隔愈远，则各麦克风接收到来自同一音源的声音信号的时间延迟差值也愈大且麦克风阵列的信噪比也大。但是，由于麦克风阵列中的麦克风之间的距离会受到麦克风装置的产品大小的限制，所以本专利利用虚拟的方式延伸麦克风阵列中的麦克风之间的间距，以利于集成电路103进行后续的降噪程序运算。在一实施例中，当集成电路103为一数字信号处理器时，集成电路103可以用软件的方式实现FIR滤波器以将麦克风110或麦克风120所接收的声音信号加入虚拟时间延迟τdelay。在另一实施例中，当集成电路103为一应用导向集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)时，可以利用逻辑电路以硬件的方式实现FIR滤波器以将麦克风110或麦克风120所接收的声音信号加入虚拟时间延迟τdelay。需注意的是，无论是用软件或是硬件的方式实现，所加入虚拟时间延迟τdelay均是可调整的，且可针对不同的频段进行调整。
然而，因为麦克风装置100的体积很小且麦克风110及120之间的距离d0也很短(例如5毫米)，故所计算出的时间延迟τ0的数值也相当小。经过有限脉冲响应滤波器320将麦克风120所接收的声音信号XB加入一虚拟时间延迟τdelay之后，则所产生的音讯信号X′B相较于麦克风110所接收的声音信号XF，可视为两个音孔104及105在具有相应的距离c*(τ0+τdelay)分别接收到声音信号XF及XB。在一实施例中，麦克风110及120之间的距离d0可利用上述方式虚拟地将该距离d0增加至10毫米(mm)左右，并可达到较好的波束赋形(beamforming)效果。因此，集成电路103可进而将两个音孔104及105的声压扩大其差异性以利于后续的降噪程序运算。
如图9A所示，当麦克风110及120之间的距离d0为5毫米时，麦克风装置100具有极性图样904。若在音孔104及105的位置分别增加10毫米长度的对称(symmetric)导音管的机构设计，则麦克风装置100具有极性图样902。若在音孔104及105的位置分别增加10毫米长度的非对称(asymmetric)导音管的机构设计，则麦克风装置100具有极性图样901。若利用本发明中的虚拟导音管的设计以将麦克风110及120之间的距离d0虚拟地延长至10毫米时，则麦克风装置100具有极性图样903。
详细而言，因为实体导音管的机构设计会占用太多空间，这会跟麦克风装置100的轻薄的需求相违背。本发明的麦克风装置100可不必安装实体的导音管的机构，而是采用虚拟导音管的设计将麦克风110及120之间的距离延长，使得麦克风装置100的极性图样903的感度提高，例如可趋近于安装了实体非对称或对称导音管的极性图样901及902的感度，进而提升麦克风装置100的整体信噪比而达到提升语音识别率的目标。
在另一些实施例中，差分信号Pd例如可用下列方程式(2)所表示：
Pd＝XF-XB*τ (2)
其中时间延迟τ与时间延迟τ0相关，例如可用下列方程式(3)所表示：
τ＝β*τ0 (3)
其中β为一常数，且0≤β≤1。
将麦克风110及120所提取到的音讯信号XF及XB及相关时间延迟代入方程式(2)后，麦克风装置100的极性图样(Polar Pattern)如图4A所示。其中，极性图样401A至405A分别代表不同的频段(frequency band)1～5，例如频段1～频段5的频率分别为20Hz、1KHz、16KHz、32KHz、96KHz，但本发明并不限于此。
然而，在图4A中，在不同的频段所相应的极性图样都彼此类似，但极性图样会随着频率由低至高而愈来愈大，意即在图4A中的极性图样会随着频率而变动。
在一些实施例中，麦克风装置100采用了虚拟时间延迟的设计以虚拟地延长麦克风110及120之间的距离。此外，为了便于在时域上进行计算，麦克风110及120的频率可区分为频段1～频段5等等，且不同的频段的虚拟距离延长例如可由下列方程式(4)进行计算：
d0＝ni*dext (4)
其中i为1～5之间的正整数，分别表示频段1～5。且ni表示第i个频段的倍率。
接着，再将方程式(4)所计算出的距离d0带入方程式(5)：
接着，再将方程式(5)所计算出的距离时间延迟τ代入方程式(2)以计算出差分信号Pd。此时，差分信号Pd形成图4B的图形，其中不同频率的极性图样401A～405A的大小随着频率变动的幅度已经降低。例如在图4A中的箭头410及420之间的间隔已缩小至图4B中的箭头410B及420B之间的间隔。
此外，当集成电路103再将一等化器(equalization)功能加入运算时，可使用下列方程式(6)计算出不同频段的时间延迟EQ_dext：
Figure BDA0001776784400000091
其中w及wc表示频率，wc可用方程式(7)所表示：
Figure BDA0001776784400000092
集成电路103可将不同频段的EQ_dext的数值代入方程式(2)、(4)、(5)中的相应频段的dext，则可得到图4C中所示的极性图样401C－405C，其中在频段1～3所相应的极性图样401C－403C已重叠于极性图样401C的位置。此时，麦克风装置100的极性在频段1～3已经与频率不相关。在一些实施例中，在频段1～5所相应的ni值可分别为160、8、2、1、0.33，但本发明并不限于此。例如在频率愈低的频带的时间延迟愈长，频率愈高的频带的时间延迟愈短，意即等化器功能的时间延迟会随着频率升高而缩短。
图5A为本发明实施例中的麦克风装置的麦克风接收音讯信号的示意图。图5B为本发明实施例中的麦克风装置的虚拟麦克风的示意图。
如图5A所示，在麦克风装置100中的麦克风110及120可接收来自方向510的音讯信号，其中音讯信号与麦克风110及120的连线线段的中心点515具有一入射角θ。在一实施例中，如图5B所示，集成电路103可利用麦克风110及120所接收的音讯信号以计算出在以麦克风110及120的距离为直径的虚拟圆520上的不同方位的虚拟麦克风，例如虚拟麦克风530～535。其中，虚拟麦克风532与麦克风110及120的线段具有一夹角
Figure BDA0001776784400000093
需注意的是，在虚拟圆520上的虚拟麦克风的数量可视实际情况及集成电路103的运算能力而定，本发明并不限定于上述数量的虚拟麦克风。例如当划分的角度愈密，虚拟麦克风的数量也愈多，但也会增加集成电路103的运算复杂度。在一实施例中，相邻两个麦克风/虚拟麦克风在虚拟圆520上所划分的角度，例如可为15度，但本发明并不限于此。
图5C为本发明一实施例中使用被动式(passive)到达时间差(time differenceof arrival，TDOA)的指向性调整方法的示意图。
请同时参考图5A～图5C。在图5A及图5B实施例中，集成电路103可利用麦克风110及120所接收的音讯信号以计算出在以麦克风110及120的距离为直径的虚拟圆520上的不同方位的虚拟麦克风，并可利用在虚拟圆上的不同位置的麦克风/虚拟麦克风进行到达时间差(TDOA)以及波束赋形(beamforming)的计算，用于让麦克风装置100可在一特定方向得到较佳的声音感度。
在方块550，利用第一麦克风(例如麦克风110)及第二麦克风(例如麦克风120)分别接收一音源的一第一音讯信号及一第二音讯信号。举例来说，在麦克风装置100中的麦克风110及120可分别接收来自方向510的音源的第一音讯信号及一第二音讯信号，其中音讯信号与麦克风110及120的连线线段的中心点515具有一入射角θ。
在方块552，取得该音源的一来源角度。举例来说，当麦克风装置100(可视为一前端装置)设置于一电子装置(例如一智能型手机)中，麦克风装置100上的集成电路103有功耗及运算效能的考虑，故集成电路103并不会进行相当复杂的运算，例如计算音源的来源角度。因此，可利用在电子装置中具有较多系统资源的中央处理器(可视为一后端运算装置)依据麦克风装置100所提取的音讯信号或是由在电子装置上的其他类型的感测器的感测资料以计算出音源的来源角度，并通知麦克风装置100该音源的来源角度。
在方块554，依据第一音讯信号及第二音讯信号以计算在以第一麦克风及第二麦克风的连线线段为直径的一虚拟圆上的不同位置的各虚拟麦克风相应的虚拟音讯信号。在一实施例中，集成电路103可利用内插法及外插法以依据第一音讯信号及第二音讯信号计算出在虚拟圆上的不同位置的虚拟音讯信号。在另一实施例中，集成电路103可取得事先建立的一查找表(lookup table)以将第一音讯信号及第二音讯信号转换为在虚拟圆上的不同位置的虚拟麦克风相应的虚拟音讯信号，其中查找表已记录了第一音讯信号、第二音讯信号、及相应于虚拟圆上的不同位置的虚拟麦克风的虚拟音讯信号的内插及外插的对应关系。
在方块556，依据该音源的该来源角度，计算在虚拟圆上的相应于该来源角度的一第一位置(例如相对于该来源角度为0度角)的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号及相对于第一位置的一第二位置(例如相对于该来源角度为180度角)的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号。举例来说，麦克风装置100中的集成电路103则可依据该音源的来源角度以决定一虚拟麦克风夹角(例如图5B中的夹角
Figure BDA0001776784400000101
)，并依据虚拟麦克风夹角决定第一位置及第二位置。在一些实施例中，方块554及方块556可整合为同一步骤，例如可直接依据所取得的该音源的该来源角度，再计算或利用查找表以得到在第一位置的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号、以及在第二位置的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号。
在方块558，依据第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号进行波束赋形(beamforming)。举例来说，本发明前述实施例中将第一音讯信号或第二音讯信号加入时间延迟的方法，同样可应用于第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号。在此实施例中，集成电路103例如可将时间延迟加至第二虚拟音讯信号。
在方块560，比较不同波束赋形的能量。举例来说，电子装置的中央处理器可比较在虚拟圆上的不同位置及其相对位置的虚拟麦克风的虚拟音讯信号所构成的波束赋形的能量。理论上，愈靠近音源的虚拟麦克风的波束赋形的能量愈大(即声压最强)，故电子装置的中央处理器可依据不同波束赋形的能量以判断是否选择了正确位置的虚拟麦克风。
在方块562，完成被动式到达时间差的指向性调整。
在此实施例中，若集成电路103由电子装置的中央处理器所接收到的音源方向例如已改变至90度角的位置，则集成电路103则可利用图5B中的虚拟麦克风531及534分别作为第一麦克风及第二麦克风，意即可将极性图样旋转90度角。因此，在极性图样例如可由图5D中的未旋转角度前的极性图样580改变至旋转90度角后的极性图样582，意即改变麦克风装置100的指向性。
图6为本发明实施例中使用主动式到达时间差的指向性调整方法的示意图。请同时参考图5B、图5D及图6。
在方块602，利用第一麦克风(例如麦克风110)及第二麦克风(例如麦克风120)分别接收一音源的一第一音讯信号及一第二音讯信号。举例来说，在麦克风装置100中的麦克风110及120可分别接收来自方向510的音源的第一音讯信号及一第二音讯信号，其中音讯信号与麦克风110及120的连线线段的中心点515具有一入射角θ。
在方块604，计算该音源的一来源角度。在此实施例中，当麦克风装置100(可视为一前端装置)设置于一电子装置(例如一智能型手机)中，麦克风装置100上的集成电路103可进行较复杂的运算。集成电路103可依据第一音讯信号及第二音讯信号以计算出音源的来源角度，例如可判断在那个方向的音讯信号的声压最强以决定来源角度。其中，来源角度例如是与第一麦克风及第二麦克风的连线线段的夹角(例如图5B中的夹角
Figure BDA0001776784400000121
)，例如介于正负180度之间(例如0～180度角属于右平面，0～-180度角属于左平面)。
在方块606，依据第一音讯信号及第二音讯信号以计算在以第一麦克风及第二麦克风的连线线段为直径的一虚拟圆上的不同位置的各虚拟麦克风相应的虚拟音讯信号。在一实施例中，集成电路103可利用内插法及外插法以依据第一音讯信号及第二音讯信号计算出在虚拟圆上的不同位置的虚拟音讯信号。在另一实施例中，集成电路103可取得事先建立的一查找表(lookup table)以将第一音讯信号及第二音讯信号转换为在虚拟圆上的不同位置的虚拟音讯信号，其中查找表已记录了第一音讯信号及第二音讯信号在虚拟圆上的不同位置的内插及外插的对应关系。
在方块608，依据所该音源的该来源角度，计算在虚拟圆上的相应于该来源角度的一第一位置(例如相对于该来源角度为0度角)的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号及相对于第一位置的一第二位置(例如相对于该来源角度为180度角)的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号。举例来说，麦克风装置100中的集成电路103则可依据该音源的来源角度以决定一虚拟麦克风夹角(例如图5B中的夹角
Figure BDA0001776784400000122
)，并依据虚拟麦克风夹角决定第一位置及第二位置。在一些实施例中，方块554及方块556可整合为同一步骤，例如可直接依据所取得的该音源的该来源角度，再计算或利用查找表以得到在第一位置的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号、以及在第二位置的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号。
在方块610，依据第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号进行波束赋形(beamforming)。举例来说，本发明前述实施例中将第一音讯信号或第二音讯信号加入时间延迟的方法，同样可应用于第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号。在此实施例中，集成电路103例如可将时间延迟加至第二虚拟音讯信号，故在波束赋形后可产生心脏形(Cardioid)的极性图样。
在方块612，比较不同波束赋形的能量。举例来说，电子装置的中央处理器可比较在虚拟圆上的不同位置及其相对位置的虚拟麦克风的虚拟音讯信号所构成的波束赋形的能量。理论上，愈靠近音源的虚拟麦克风的波束赋形的能量愈大(即声压最强)，故可判断是否使用了正确位置的虚拟麦克风。
在方块614，完成主动式到达时间差的指向性调整。
在此实施例中，若集成电路103由电子装置的中央处理器所接收到的音源方向例如已改变至90度角的位置，则集成电路103则可利用图5B中的虚拟麦克风531及534分别作为第一麦克风及第二麦克风，意即可将极性图样旋转90度角。因此，在极性图样例如可由图5D中的未旋转角度前的极性图样580改变至旋转90度角后的极性图样582，意即改变麦克风装置的指向性。详细而言，本发明可应用主动式TDOA的技术以即时追踪音源移动的角度，并更新麦克风阵列的极性图，使得麦克风阵列感度最高的角度永远指向音源的方向。
举例来说，图9B所示例如为不同的麦克风装置的设定的右半平面的极性图。其中，极性图样914为心型(Cardioid)极性图，例如是麦克风110或120的原始的极性图。若使用双极(dipole)的麦克风，则其具有极性图案915。当使用虚拟导音管及主动TDOA的技术后，可将麦克风阵列的极性图样改变至极性图样913，意即可大幅提升麦克风阵列的感度，且可将感度最高的角度指向音源的方向(例如为90度角的方向)。若使用全向性拾音，原本未使用虚拟导音管的麦克风装置(例如为旁通(Bypass)模式)具有全向性的极性图样912，在使用了本发明中的虚拟导音管的技术后，则麦克风装置会具有全向性的极性图样911。相较于极性图样912，使用了虚拟导音管的麦克风装置的全向性极性图样911的感度约提升6dB。
图7为本发明实施例中包含主动式及被动式到达时间差的处理的指向性调整方法的流程图。图7的流程整合了图5C中的被动式到达时间差计算方法及图6中的主动式到达时间差计算方法的流程。
在方块702，利用第一麦克风(例如麦克风110)及第二麦克风(例如麦克风120)分别接收一音源的一第一音讯信号及一第二音讯信号。举例来说，在麦克风装置100中的麦克风110及120可分别接收来自方向510的音源的第一音讯信号及一第二音讯信号。
在方块704，判断是否使用主动式到达时间差(active TDOA)计算。若是，则前进至方块706；若否，则前进至方块710。
在方块706，依据第一音讯信号及第二音讯信号以计算在以第一麦克风及第二麦克风的连线线段为直径的一虚拟圆上的不同位置的各虚拟麦克风相应的虚拟音讯信号。
在方块708，计算该音源的一来源角度。方块708类似于图6中的方块604。在此实施例中，当麦克风装置100(可视为一前端装置)设置于一电子装置(例如一智能型手机)中，麦克风装置100上的集成电路103可进行较复杂的运算，例如可依据第一音讯信号及第二音讯信号以计算出音源的来源角度，例如是与第一麦克风及第二麦克风的连线线段的夹角(例如图5B中的夹角
Figure BDA0001776784400000141
)，例如介于正负180度之间(例如0～180度角属于右平面，0～-180度角属于左平面)。
在方块710，利用第一麦克风及第二麦克风进行全向性拾音。
在方块712，由后端运算装置计算该音源的来源角度。举例来说，在方块704的判断结果为不使用主动式到达时间差的计算时，表示麦克风装置100需使用被动式到达时间差的计算。意即，麦克风装置100需由后端运算装置取得目前的音源来源角度。然而，后端运算装置仍需利用第一麦克风及第二麦克风进行全向性拾音，此时，后端运算装置可将第一麦克风的第一音讯信号与第二麦克风的第二音讯信号相加以得到全向性的极性图样。
在方块714，更新该音源的来源角度。举例来说，麦克风装置100可由后端运算装置取得该音源的来源角度。
在方块716，依据该音源的该来源角度，以计算在虚拟圆上的相应于该来源角度的一第一位置(例如相对于该来源角度为0度角)的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号及相对于第一位置的一第二位置(例如相对于该来源角度为180度角)的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号。若是使用被动式到达时间差，则音源的来源角度是由后端运算装置所计算，并由后端运算装置将所计算出的音源的来源角度通知麦克风装置100的集成电路103。若是使用主动式到达时间差，则音源的来源角度是由麦克风装置100的集成电路103所计算。
在方块718，依据第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号进行波束赋形(beamforming)。举例来说，本发明前述实施例中将第一音讯信号或第二音讯信号加入时间延迟的方法，同样可应用于第一虚拟音讯信号及第二虚拟音讯信号。在此实施例中，集成电路103例如可将时间延迟加至第二虚拟音讯信号，故在波束赋形后可产生心脏形(Cardioid)的极性图样。
在方块720，将波束赋形后的极性图样传送至后端运算装置以完成主动式或被动式到达时间差的指向性调整。详细而言，本发明的麦克风阵列可利用虚拟导音管并搭配主动或被动TDOA以自动追踪语音信号的移动位置及角度，并可提升语音识别率及降低语音沟通过程时的噪音干扰。
图8A为本发明实施例中的一电子装置的示意图。图8B～图8E为本发明图8A的实施例中的不同麦克风装置的极性图。请同时参考图1及图8A～图8E。
在一实施例中，电子装置80可配置一处理器802及多个麦克风装置800A、800B、及800C，其中麦克风装置800A、800B、及800C的每一者与图1中的麦克风装置100相同，且分别设置于电子装置80的一外壳上的不同位置，如图8A所示。
因为麦克风装置800A～800C的设置位置不同，且麦克风装置800A上的麦克风810A及820A、麦克风装置800B上的麦克风810B、820B、及麦克风装置800C上的麦克风810C及820C可分别以不同指向性以提取一来源音讯信号，故麦克风装置800A～800C会具有不同指向性的极性图，例如分别为图8B、图8C、及图8D所示。详细而言，因为在电子装置80上具有3个以上的指向性麦克风装置，所以可利用各麦克风装置所拾取的音讯信号辨识出音源的方向及距离。
举例来说，当电子装置80判断音源850在较远的距离时，电子装置80进入一差分信号模式，例如可利用前述实施例的方法计算出音源方向，将来自各麦克风装置800A～800C中所相应的虚拟圆上对应于来源方向的第一虚拟麦克风的第一虚拟音讯信号及相对位置的第二虚拟麦克风的第二虚拟音讯信号相减以得到指向性朝向音源方向的极性图，故可进行指向性拾音，如图8A所示。
当电子装置80判断音源851在较近的距离时，如图8B所示，电子装置80进入一提升信号模式，例如将来自各麦克风装置800A～800C中的不同麦克风的音讯信号相加以得到全向性的极性图，例如图8E所示，故可进行全向性拾音。此外，电子装置也可利用前述实施例中的方法以在吵杂或安静环境下进行语音识别及降噪方析模式。举例来说，图8B～图8D为心脏型的指向性极性图，在其0度角的位置会具有最佳的声音感度(强度最大)，且在180度角的强度则会被降低，故在180度角的方向的声音会有降噪的效果。因此，电子装置80可自动切换远/近距离拾音模式、以及降噪分析模式。
综上所述，本发明提供一种麦克风装置及指向性调整方法，其可利用软件或硬件调整不同麦克风所接收的音讯信号的时间延迟以改变麦克风装置的极性图样。此外，在不必调整麦克风装置的位置的情况下，本发明更可利用虚拟麦克风并搭配实体麦克风的音讯信号并可利用被动式/主动式到达时间差以改变麦克风装置的极性图样的最大感度的指向性及有效的波束赋形的宽度。本发明更可将多个麦克风装置设置于电子装置上，可进一步利用不同指向性麦克风的不同的极性图样进行拾音的相关性分析，并可计算声源距离以自动切换远/近距离拾音模式及降噪分析模式。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (21)

1.一种麦克风装置，其特征在于，包括：
掩模；
电路板，耦接该掩模且包括一第一音孔与一第二音孔；
集成电路，耦接该掩模与该电路板以形成一第一腔室与一第二腔室；
第一麦克风，被配置于该第一腔室中，用以经由该第一音孔对一音源提取一第一音讯信号；以及
第二麦克风，被配置于该第二腔室中，用以经由该第二音孔对该音源提取一第二音讯信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的感度、相位、及全向性；
其中，该集成电路耦接该第一麦克风与该第二麦克风，并将该第二音讯信号进行一时间延迟处理，并将该第一音讯信号与延迟后的该第二音讯信号相减以产生一差分信号，用于依据该差分信号形成该麦克风装置的一极性图样。
2.如权利要求1所述的麦克风装置，其中该集成电路为一处理器，用以进行该时间延迟处理。
3.如权利要求1所述的麦克风装置，其中该集成电路为一应用导向集成电路，用以进行该时间延迟处理。
4.如权利要求1所述的麦克风装置，其中该时间延迟处理是对该第二音讯信号中的各分频段加入固定的一延迟时间。
5.如权利要求1所述的麦克风装置，其中该时间延迟处理是对该第二音讯信号中的多个分频段的每一者分别使用不同的延迟时间。
6.如权利要求5所述的麦克风装置，其中该多个频段的一特定频段的频率愈高，其相应的该延迟时间愈短。
7.如权利要求1所述的麦克风装置，其中该第一麦克风及该第二麦克风之间具有一第一距离，该集成电路依据该第一音讯信号及该第二音讯信号以计算位于该第一麦克风及该第二麦克风相连的线段为直径的一虚拟圆上的不同位置的多个虚拟麦克风。
8.如权利要求7所述的麦克风装置，其中该集成电路由该麦克风装置所设置的一电子装置上的一后端运算装置取得该音源的一来源角度，并依据该来源角度的变化信息计算在该虚拟圆上的该多个虚拟麦克风中选择相应于该来源角度的一第一位置的一第一虚拟麦克风的一第一虚拟音讯信号、以及相对于该第一位置的一第二位置的一第二虚拟麦克风的一第二虚拟音讯信号，
其中该集成电路更对该第二虚拟音讯信号进行该时间延迟处理，并将该第一虚拟音讯信号与延迟后的该第二虚拟音讯信号相减以改变该第一麦克风及该第二麦克风的该极性图样的指向性。
9.如权利要求7所述的麦克风装置，其中该集成电路更依据该第一音讯信号及该第二音讯信号以计算该音源的一来源角度，并依据该来源角度以计算在该虚拟圆上的该多个虚拟麦克风中选择相应于该来源角度的一第一位置的一第一虚拟麦克风的一第一虚拟音讯信号、以及相对于该第一位置的一第二位置的一第二虚拟麦克风的一第二虚拟音讯信号，
其中该集成电路更对该第二虚拟音讯信号进行该时间延迟处理，并将该第一虚拟音讯信号与延迟后的该第二虚拟音讯信号相减以改变该第一麦克风及该第二麦克风的该极性图样的指向性。
10.如权利要求7所述的麦克风装置，其中该时间延迟处理是虚拟地增加该第一麦克风及该第二麦克风之间的该第一距离。
11.一种指向性调整方法，用于一麦克风装置，该麦克风装置包括一掩模；一电路板，耦接该掩模且包括一第一音孔与一第二音孔；一集成电路，耦接该掩模与该电路板以形成一第一腔室与一第二腔室；一第一麦克风，被配置于该第一腔室中；以及一第二麦克风，被配置于该第二腔室中，该方法包括：
利用该第一麦克风及该第二麦克风分别经由该第一音孔及该第二音孔对一音源提取一第一音讯信号及一第二音讯信号，其中该第一麦克风及该第二麦克风具有相同的感度、相位、及全向性；
利用该集成电路将该第二音讯信号进行一时间延迟处理；
将该第一音讯信号与延迟后的该第二音讯信号相减以产生一差分信号；以及
依据该差分信号形成该麦克风装置的一极性图样。
12.如权利要求11所述的指向性调整方法，其中该集成电路为一处理器，用以进行该时间延迟处理。
13.如权利要求11所述的指向性调整方法，其中该集成电路为一应用导向集成电路，用以进行该时间延迟处理。
14.如权利要求11所述的指向性调整方法，其中该时间延迟处理是对该第二音讯信号中的各分频段加入固定的一延迟时间。
15.如权利要求11所述的指向性调整方法，其中该时间延迟处理是对该第二音讯信号中的多个分频段的每一者分别使用不同的延迟时间。
16.如权利要求15所述的指向性调整方法，其中该多个频段的一特定频段的频率愈高，其相应的该延迟时间愈短。
17.如权利要求11所述的指向性调整方法，其中该第一麦克风及该第二麦克风之间具有一第一距离，且该方法还包括：利用该集成电路依据该第一音讯信号及该第二音讯信号以计算位于该第一麦克风及该第二麦克风相连的线段为直径的一虚拟圆上的不同位置的多个虚拟麦克风。
18.如权利要求17所述的指向性调整方法，还包括：
由该麦克风装置所设置的一电子装置上的一后端运算装置取得该音源的一来源角度；
依据该来源角度的变化信息以计算在该虚拟圆上的该多个虚拟麦克风中选择相应于该来源角度的一第一位置的一第一虚拟麦克风的一第一虚拟音讯信号、以及相对于该第一位置的一第二位置的一第二虚拟麦克风的一第二虚拟音讯信号；以及
对该第二虚拟音讯信号进行该时间延迟处理，并将该第一虚拟音讯信号与延迟后的该第二虚拟音讯信号相减以改变该第一麦克风及该第二麦克风的该极性图样的指向性。
19.如权利要求17所述的指向性调整方法，还包括：
依据该第一音讯信号及该第二音讯信号以计算该音源的一来源角度；
依据该来源角度以计算在该虚拟圆上的该多个虚拟麦克风中选择相应于该来源角度的一第一位置的一第一虚拟麦克风的一第一虚拟音讯信号、以及相对于该第一位置的一第二位置的一第二虚拟麦克风的一第二虚拟音讯信号；以及
对该第二虚拟音讯信号进行该时间延迟处理，并将该第一虚拟音讯信号与延迟后的该第二虚拟音讯信号相减以改变该第一麦克风及该第二麦克风的该极性图样的指向性。
20.如权利要求17所述的指向性调整方法，其中该时间延迟处理是虚拟地增加该第一麦克风及该第二麦克风之间的该第一距离。
21.一种电子装置，其特征在于，包括：
至少三个如权利要求1所述的麦克风装置，设置于该电子装置的一外壳上的不同位置；以及
处理器，用以依据各麦克风装置的该第一麦克风及该第二麦克风所提取的该第一音讯信号及该第二音讯信号以计算该音源与该电子装置的方向及距离；
其中该处理器更依据所计算的该音源的距离以自动切换各麦克风装置的该极性图样为指向性或全向性。
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