CN111316665A - 用于扬声器系统的非对称麦克风阵列 - Google Patents
用于扬声器系统的非对称麦克风阵列 Download PDFInfo
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Abstract
各种具体实施包括麦克风阵列和相关的扬声器系统。在一个具体实施中，麦克风阵列安装在外壳中，该外壳具有主X轴、垂直于主X轴的主Y轴以及垂直于主X轴和主Y轴的主Z轴。麦克风阵列可包括一组麦克风，该组麦克风定位在垂直于主Z轴的单个平面中，并且相对于主X轴和主Y轴两者均为非轴向对称的。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月31日提交的美国专利申请号15/799021的优先权，该申请据此以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及麦克风阵列。更具体地讲，本公开涉及用于扬声器系统诸如支持语音的扬声器系统的麦克风阵列。
背景技术
支持语音的设备诸如扬声器系统(也称为“智能扬声器”)越来越多地存在于家庭、办公室和其他环境中。这些设备允许用户使用语音命令来控制各种功能。然而，考虑到它们的便携性和尺寸，在这些设备中配置麦克风以有效地处理语音用户输入可能是具有挑战性的。
发明内容
下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
各种具体实施包括用于扬声器系统的麦克风阵列。在一些具体实施中，麦克风阵列具有麦克风的非对称配置。
在一些特定方面，麦克风阵列安装在外壳中，该外壳具有主X轴、垂直于主X轴的主Y轴以及垂直于主X轴和主Y轴的主Z轴。麦克风阵列可包括一组麦克风，该组麦克风定位在垂直于主Z轴的单个平面中，并且相对于主X轴和主Y轴两者均为非轴向对称的。
在其他特定方面，一种系统包括：扬声器外壳，该扬声器外壳具有主X轴、垂直于主X轴的主Y轴以及垂直于主X轴和主Y轴的主Z轴；和麦克风阵列，所述麦克风阵列包含在所述扬声器外壳内，所述麦克风阵列具有一组麦克风，所述一组麦克风定位在垂直于所述主Z轴的单个平面中，并且相对于所述主X轴和所述主Y轴两者均为非轴向对称的。
具体实施可包括以下特征中的一个特征、或它们的任何组合。
在一些情况下，该组麦克风关于Z轴为旋转对称的。
在某些具体实施中，该组麦克风关于Z轴为非旋转对称的。
在特定情况下，麦克风阵列包括耦接到该组麦克风的印刷线路板。
在一些具体实施中，该组麦克风包括至少两个麦克风。在某些情况下，该组麦克风包括六个麦克风。
在特定情况下，外壳沿单个平面的横截面为非圆形形状。在某些具体实施中，外壳沿单个平面的横截面具有大致矩形的形状。
在一些情况下，所述一组麦克风产生具有指向性指数的波束，该指向性指数基本上等于来自参考组麦克风的波束的指向性指数，所述参考组麦克风相对于所述外壳关于周边边界线对称地定位。
在某些具体实施中，扬声器系统还包括包含在所述扬声器外壳内的核心部分，其中所述印刷线路板与所述核心耦接，并且所述核心包括一组凹陷部，每个凹陷部至少部分地容纳所述一组麦克风中的一个麦克风。在一些情况下，所述印刷线路板位于所述一组麦克风与所述扬声器外壳的顶部部分之间，并且所述印刷线路板还包括延伸穿过其的一组孔以用于接收所述一组麦克风。在特定具体实施中，扬声器系统还包括在印刷线路板与扬声器外壳的顶部部分之间的透声屏幕。
本公开中所述的两个或更多个特征，包括本发明内容部分中所述的那些，可组合以形成在本文未具体描述的具体实施。
一个或多个具体实施的细节在附图和以下描述中论述。其他特征、对象和有益效果在说明书、附图和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图2示出了根据各种具体实施的扬声器系统的透视图。
图3是图2的扬声器系统的附加视角的骨架图。
图4示出了图2的扬声器系统的局部透视图。
图5示出了图4的扬声器系统的局部剖视图。
图6示出了图4和图5的扬声器系统的示意性顶视图。
图7示出了穿过图2的扬声器系统的一部分的剖视图。
图8是图7的部分的透视图。
图9是示出根据各种具体实施的阵列中麦克风在外壳内的定位的图形曲线图。
图10是示出在外壳的附加具体实施内的图9的阵列定位的图形曲线图。
图11是示出在与由参考麦克风阵列形成的波束进行比较时由根据各种具体实施的麦克风阵列形成的波束的指向性指数之间的比较的图形曲线图。
需注意，各种具体实施的附图未必按比例绘制。附图仅旨在示出本公开的典型方面，因此不应视为限制具体实施的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间类似的元件。
具体实施方式
麦克风的可相对于扬声器外壳非对称地定位，以提供基本上等于具有更大数量的麦克风的对称阵列的指向性指数。麦克风阵列可被定位成增强具有不同观看方向的若干波束的指向性指数。在各种具体实施中，麦克风阵列位于具有非圆形形状的水平横截面的扬声器外壳中。
出于说明的目的，附图中通常标记的部件被认为是基本上等同的部件，并且为了清楚起见，省略了对那些部件的冗余讨论。
例如，在扬声器系统诸如支持语音的扬声器系统中的麦克风阵列可包括被布置成检测来自用户的语音命令的一组麦克风。图1示出了根据各种具体实施的示出检测和处理音频命令的过程的示意性数据流程图。如本文所述，根据各种具体实施的麦克风阵列和扬声器系统可被配置为执行图1所示的过程中的一个或多个。
在图1的数据流中，麦克风阵列10例如从用户30(诸如人类用户或不同用户诸如计算机实现的语音控制系统)接收语音输入20。语音输入20可包括用于执行功能(例如，搜索问题的答案、播放所请求的歌曲或设置定时器)的命令。语音输入20还可包括“唤醒字词”或指示输入包括命令的类似提示。在一些情况下，支持语音的扬声器系统被编程为使用一个或多个术语或短语作为一个或多个唤醒字词，例如，“Alexa”或“Siri”。在麦克风阵列10处接收语音输入20，并且由波束形成器50和回声消除器60中的一者或两者处理来自阵列10的麦克风信号40。
在该示例性描绘中，那些麦克风信号40最初被发送到波束形成器50。波束形成器50可被配置为根据阵列10的配置来滤波特定麦克风信号40，以便实现期望的指向性。形成的波束70从波束形成器50发送到回声消除器60，以便从麦克风信号40或形成的波束70去除自回放。然后将这些滤波的波束80发送到波束选择器90，以便选择可由来自用户30的语音输入20引起的波束。然后由唤醒字词标识符110处理该所选择的波束100以确定语音输入20是否包括该唤醒字词(例如，“Alexa”或“Siri”)。在确定语音输入20包括正确的唤醒字词(或短语)之后，命令标识符和处理器120可针对一个或多个特定命令(例如，“由乐队“Boston”播放歌曲”)解析和/或分析来自语音输入20的所选择的波束100并且识别适当的响应(例如，通过在艺术家“Boston”所存储的歌曲列表中按字母顺序播放列出的第一歌曲)。应用处理器130可从命令标识符和处理器120接收回放指令140，并且向换能器160(例如，经由数字信号处理器，未示出)提供输出信号150以用于提供音频输出，诸如音频内容或语音响应(例如，返回到用户30)。
应当理解，参考图1所述的上述功能中的一个或多个功能可在根据各种具体实施的扬声器系统处执行，但是这些功能中的一个或多个功能可在远程系统(例如，基于云的或分布式计算系统)处执行。例如，在一些具体实施中，处理器120(例如，经由收发器诸如WiFi或LTE收发器)可将音频(例如，经处理的语音输入20)传输至基于云的语音服务(例如，在实时流中)。该基于云的语音服务可将音频转换成命令，该命令可被解译为提供扬声器系统，而诸如命令识别(例如，通过命令标识符和处理器120)的其他相关过程可在远程系统处执行。
图2示出了根据各种具体实施的示例性扬声器系统200的透视图。如本文将进一步描述的，扬声器系统200可包括麦克风阵列，诸如相对于图1功能描述的麦克风阵列10。图3示出了图2中描绘的扬声器系统200的骨架图。参考图2和图3，扬声器系统200可包括外壳210，该外壳具有主X轴、垂直于主X轴的主Y轴以及垂直于主X轴和主Y轴的主Z轴。图2示出了外壳210的拐角透视图，示出了X轴、Y轴和Z轴的取向，而图3示出了外壳210的骨架的侧面透视图，示出了主轴X、Y和Z的定位。这些主轴与外壳210的近似中心点215相交，如图3所示。
如图2所示，外壳210可由一个或多个部分220形成，诸如上部部分220A和下部部分220B。这些部分220可由用于扬声器系统中的金属、塑料、复合材料或其他常规材料形成，并且在一些特定情况下，可至少部分地由铝和/或塑料形成。在一些具体实施中，下部部分220B被配置为搁置在表面(书桌、桌子、地板等)上，并且上部部分220A被配置为容纳麦克风阵列10(图1)以用于接收来自用户20(图1)的语音输入。上部部分220A还可包括允许用户20选择一个或多个命令(例如，控制按钮240)的接口230。
应当理解，术语“上部”和“下部”仅旨在提供扬声器系统的一种配置中的相对位置信息的示例。这些术语可以互换，并且可以指扬声器系统的不同部分，这取决于。
图4至图6示出了图2和图3的示例性扬声器系统200的视图。具体地讲，图4示出了部分透明的上部部分220A(由虚线参考线指示)，显示出包含在外壳210内的核心部分250。核心部分250可包括相对于图1所述的各种部件，例如波束形成器50、回声消除器60、波束选择器90、数字信号处理器130和/或一个或多个换能器160。核心部分250中还可包括附加布线和常规的扬声器部件。
覆盖在核心部分250上，如图5和图6中更清楚地示出，是包括印刷线路板260的麦克风阵列10(图1)，该印刷线路板可与核心部分250和/或上部部分220A(经由常规的耦合器，诸如螺钉、螺栓、销、紧固件、凸/凹配合突起/狭槽等)耦接。印刷线路板260可包括用于处理来自麦克风阵列10(图1)中的一组麦克风的输入的电路。在这些视图中，阵列10中的麦克风被印刷线路板260阻挡。这些视图(具体地讲，图5和图6)示出了延伸穿过印刷线路板260并与阵列10中的麦克风相对应的一组孔270的定位。孔270被示为覆盖有透声屏幕280(例如，可得自Saati Company(Via Milano，Italy)的材料诸如Saatifil Acoustex 145)和用于将透声屏幕280保持在孔270上方的适当位置的垫圈290。
图7示出了印刷线路板260和核心部分250的一部分的剖视图，并且还示出了核心部分250中用于容纳来自阵列10(图1)的麦克风300的凹陷部290。从该视图中可以看出，麦克风300可以包括表面安装部件，该表面安装部件可以安装到底部表面安装的微机电系统(MEMS)麦克风。在各种具体实施中，印刷线路板260可以位于每个麦克风300与外壳210的顶部部分之间(例如，在接口230与一个或多个麦克风300之间，图2和图4)。如在图7和图8中可见，透声屏幕280可位于印刷线路板260与外壳210的顶部部分(220A，图1)之间(例如，在接口230与印刷线路板260之间，图2和图4)。
在各种具体实施中，如图7和图8所示，扬声器系统200还可以包括印刷线路板260与外壳210的顶部部分之间的顶盖310。在各种具体实施中，顶盖310可以形成外壳210的一部分。该顶盖310可包括用于允许声音传递到麦克风300的多个孔320。在一些具体实施中，顶盖310可由刚性材料例如模制塑料形成。
图9是描绘根据各种具体实施的麦克风阵列10中的麦克风300的示例性定位的图形曲线图。这些示例性定位也在图4至图6中的麦克风阵列10的描绘中示出，然而，应当理解，该示例性描绘是根据各种具体实施的麦克风的许多配置中的仅一种配置。具体地讲，如图9所示，麦克风阵列10具有麦克风300的非对称配置。即，阵列10具有定位在单个平面330(垂直于主Z轴)中的一组(例如，两个或更多个)麦克风300，其相对于主X轴和主Y轴两者均为非轴向对称的(图3)。更具体地讲，相对于主X轴和主Y轴中的每一者，麦克风300非对称地定位。另外，麦克风300相对于方位角非对称地定位(即，不均匀地分布在更多个麦克风300，根据各种具体实施。在一些具体实施中，阵列10包括一组两个、三个、四个或五个麦克风300。在其他具体实施中，附加数量的麦克风300也是可能的。在某些情况下，如本文所述，该组麦克风300包括六个麦克风300，这可有效地提供基本上等于具有更大数量的麦克风的阵列的指向性指数。
在一些示例性具体实施中，麦克风300可相对于主X轴和主Y轴两者以非轴向对称的图案定位，但可关于Z轴为旋转对称的。即，阵列10中的麦克风300可被定位成使得关于Z轴的完全旋转导致与原始位置匹配的两个或更多个位置，例如，二(2)个或更多个的量级。
在其他示例性具体实施中，麦克风300可相对于主X轴和主Y轴两者非对称地定位，并且可另外关于Z轴为非旋转对称的。在这些情况下，关于Z轴的完全旋转仅导致一个匹配位置(即，初始位置)，或一(1)的量级。
如图9所示(并且也如图2至图6所示)，在一些示例性具体实施中，外壳210沿单个平面330(即，垂直于Z轴)的横截面是非圆形形状。也就是说，在图2至图6所示的示例性具体实施中，外壳210具有椭圆形横截面，该椭圆形横截面沿X轴的长度与沿Y轴的长度不同。
在附加示例性具体实施中，如图10的图形描绘所示，外壳(示出为其周边边界线350)也可在单个平面330内大致具有大致矩形的形状(例如，允许标称轮廓和边缘特征)。在这些情况下，麦克风阵列10仍然可包括麦克风300，该麦克风相对于主X轴和主Y轴两者非对称地定位，并且关于Z轴为旋转对称的或关于Z轴为非旋转对称的。应当理解，在外壳(例如，具有周边边界线350的外壳)的横截面形状为大致矩形的具体实施中，扬声器系统的其他特征部可另外被修改以适应该形状(例如，核心部分或印刷线路板可被成形为补充外壳形状)。
如参考图1所述，麦克风阵列10接收来自用户30的语音输入20，以便形成用于处理来自用户30的命令的波束(例如，形成的波束70、滤波的波束80)。一些常规(也称为“参考”)麦克风阵列使用关于外壳的主X轴或主Y轴中的至少一者对称的和/或关于外壳的周边边界线对称的麦克风阵列。具体地讲，这些参考麦克风阵列通常包括与周边边界线等距间隔开并且还关于外壳的X轴或Y轴中的至少一者对称地间隔开的麦克风阵列。另外，这些参考麦克风阵列通常在外壳(例如，圆形横截面外壳)上以方位角等距间隔开。当与根据各种具体实施所公开的阵列(例如，阵列10)相比时，这些参考麦克风阵列通常包括更多数量的电极。例如，参考麦克风阵列包括关于外壳的主X轴或主Y轴中的至少一者对称定位和/或关于外壳的周边边界线对称的八(8)个或更多个麦克风。在一些情况下，该参考麦克风阵列位于具有圆形横截面形状的外壳中(例如。
根据各种具体实施所公开的麦克风阵列10可产生具有指向性指数的波束(例如，形成的波束70，图1)，该指向性指数基本上等于由关于周边边界线具有对称定位的那些参考阵列形成的波束的指向性指数。如在该上下文中所使用的，在语音区域的作为频率的函数的显著部分上，“基本上相等”可在大约1分贝(dB)内。即，根据各种具体实施所公开的麦克风阵列10可提供与具有更大数量的麦克风的参考阵列基本上相等的语音输入20指向性。在特定具体实施中，参考阵列包括麦克风阵列10不需要的至少一个附加麦克风以实现基本上相等的指向性指数。在甚至进一步的具体实施中，麦克风阵列10包括比参考阵列少至少两个的麦克风，同时仍然提供具有基本上相等的指向性指数的波束。图11是示出与一组参考阵列相比由麦克风阵列10形成的波束的指向性指数的图形曲线图。如该描绘所示，由麦克风阵列10形成的前四个波束(具有六个麦克风300的示例)的指向性指数与由参考麦克风阵列形成的前四个波束(例如，具有八个对称地布置的麦克风的示例，以虚线绘制)的指向性指数一起绘制(以实线绘制)。从该示例性图形描绘中显而易见的是，由麦克风阵列10形成的波束在显著频率范围内的指向性指数基本上等于来自参考阵列的波束的指向性指数。相对于参考阵列减少麦克风的数量可提供显著成本节省、增加波束形成的计算效率以及改善的可制造性。例如，一些麦克风类型易于发生误操作、粉尘等故障，并且减少麦克风的数量。
另外，根据各种具体实施所公开的麦克风阵列配置可用于使圆形(横截面)外壳中的阵列适应于非圆形(横截面)外壳，诸如具有椭圆形形状或矩形形状的外壳，以便为波束提供基本上等同的指向性指数。
麦克风(例如，阵列10中的麦克风300)的定位可基于一个或多个语音输入20、环境声音和扬声器系统(例如，扬声器系统200)的物理构造之间的干扰的已知定位。即，阵列10中的麦克风300的这种非对称配置可至少部分地基于由阵列10中的麦克风300处的音频输入形成的所有波束上的指向性指数的一致性。在一些情况下，由麦克风输入形成的波束的数量是固定的，并且可用于迭代地计算所有波束在多个位置处的指向性指数。根据一些示例性具体实施，使用阵列10形成十二(12)个波束。麦克风的定位可基于指向性指数与参考阵列的可接受偏差，参考阵列诸如生成具有相等方位角间隔的麦克风的十二个波束的阵列(例如，围绕圆每30度查看一个方向)。在特定示例中，麦克风定位被确定成使得从任何方向到达每个麦克风300的平面波将具有不同的路径长度，使得麦克风300之间的量值和相位差支持每个期望的观看方向的波束形成。
另外，例如，在非圆形外壳中采用麦克风的方位角对称布置的情况下，由从具有与其对应的麦克风阵列不同的横截面形状的外壳散射的声音引起的声学遮蔽可不利地影响波束形成。这样，当与相比时，阵列10中(非圆形外壳内)的麦克风300的非对称配置可增强波束形成。
在各种具体实施中，被描述为彼此“耦接”的部件可沿一个或多个接口接合。在一些具体实施中，这些接口可包括不同部件之间的结合部，并且在其他情况下，这些接口可包括实心和/或一体形成的互连件。即，在一些情况下，可同时形成彼此“耦接”的部件以限定单个连续构件。然而，在其他具体实施中，这些耦接部件可形成为单独的构件，并且随后通过已知工艺(例如，焊接、紧固、超声焊接、粘结)接合。在各种具体实施中，被描述为“耦接”的电子部件可以经由常规的硬连线和/或无线装置链接，使得这些电子部件可以彼此传送数据。另外，给定部件内的子部件可被认为是经由常规路径链接的，这可能不一定被示出。
已描述了多个具体实施。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加修改，并且因此，其他具体实施在以下权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种安装在外壳中的麦克风阵列，所述外壳具有主X轴、垂直于所述主X轴的主Y轴以及垂直于所述主X轴和所述主Y轴的主Z轴，所述麦克风阵列包括：
一组麦克风，所述一组麦克风定位在垂直于所述主Z轴的单个平面中，并且相对于所述主X轴和所述主Y轴两者均为非轴向对称的。
2.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风关于所述Z轴为旋转对称的。
3.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风关于所述Z轴为非旋转对称的。
4.根据权利要求1所述的麦克风阵列，还包括耦接到所述一组麦克风的印刷线路板。
5.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风包括至少两个麦克风。
6.根据权利要求5所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风包括六个麦克风。
7.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述外壳沿所述单个平面的横截面为非圆形形状。
8.根据权利要求7所述的麦克风阵列，其中所述外壳沿所述单个平面的所述横截面具有大致矩形的形状。
9.根据权利要求1所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风产生具有指向性指数的波束，所述指向性指数基本上等于来自参考组麦克风的波束的指向性指数，所述参考组麦克风相对于所述外壳关于周边边界线对称地定位。
10.根据权利要求9所述的麦克风阵列，其中所述一组麦克风包括比所述参考组麦克风更少数量的麦克风。
11.一种系统，包括：
扬声器外壳，所述扬声器外壳具有主X轴、垂直于所述主X轴的主Y轴、以及垂直于所述主X轴和所述主Y轴的主Z轴；和
麦克风阵列，所述麦克风阵列包含在所述扬声器外壳内，所述麦克风阵列具有一组麦克风，所述一组麦克风定位在垂直于所述主Z轴的单个平面中，并且相对于所述主X轴和所述主Y轴两者均为非轴向对称的。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述一组麦克风关于所述Z轴为旋转对称的。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述一组麦克风关于所述Z轴为非旋转对称的。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述麦克风阵列还包括与所述一组麦克风耦接的印刷线路板。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括包含在所述扬声器外壳内的核心部分，其中所述印刷线路板与所述核心耦接，并且其中所述核心包括一组凹陷部，每个凹陷部至少部分地容纳所述一组麦克风中的一个麦克风。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述印刷线路板位于所述一组麦克风与所述扬声器外壳的顶部部分之间，所述印刷线路板还。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括在所述印刷线路板与所述扬声器外壳的所述顶部部分之间的透声屏幕。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述外壳沿所述单个平面的横截面为非圆形形状。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述一组麦克风产生具有指向性指数的波束，所述指向性指数基本上等于来自参考组麦克风的波束的指向性指数，所述参考组麦克风相对于所述外壳关于周边边界线对称地定位。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述一组麦克风包括比所述参考组麦克风更少数量的麦克风。
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