CN112005087A

CN112005087A - 声学分析系统

Info

Publication number: CN112005087A
Application number: CN201980022859.3A
Authority: CN
Inventors: 野崎惠; 丰岛直穗子
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-11-27
Also published as: WO2019189481A1

Abstract

本发明提供一种声学分析系统(1000)，具备：多个麦克风阵列模块，其分别具有多个MEMS麦克风，并进行与多个MEMS麦克风的录音相关的控制；以及控制部，其控制多个麦克风阵列模块。麦克风阵列模块具有：接收部，其接收多个MEMS麦克风的信号；以及发送部，其向控制部发送多个MEMS麦克风的信号。控制部从多个麦克风阵列模块分别接收多个MEMS麦克风的信号，并作为用于声学分析的信号进行处理。

Description

声学分析系统

技术领域

本发明涉及声学分析系统。

背景技术

近年来，由于产品低噪声化要求的提高，要求对声场的空间分布进行测量和分析。

专利文献1公开了一种使用了麦克风阵列的声压分布分析系统，该麦克风阵列将多个麦克风排列成网格状，并在多个位置检测声音。该声压分布分析系统具备能够放大多通道信号的放大器，该放大器放大麦克风各自的声音信号，并输出到分析终端。分析终端将从放大器输入的声音信号进行A/D转换，记录为时间波形。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本公开公报特开2005-91272号公报

发明内容

发明要解决的问题

另外，在声学分析中，出于想要测量所有物体的要求，会有根据被测量物的尺寸来调整麦克风的数量的要求。

但是，如上述现有的声压分布分析系统那样，在使用了电容器麦克风或动态麦克风的情况下，在与尺寸大的被测量物对应地增加了麦克风的数量的情况下，与增加了麦克风的数量相应地另外需要放大器或A/D转换器，并且需要系统设计的复杂变更。

因此，本发明的目的是提供一种容易根据被测量物的尺寸来改变麦克风的数量的声学分析系统。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的一个方式的声学分析系统具备多个麦克风阵列模块和控制上述多个麦克风阵列模块的控制部。多个麦克风阵列模块分别具有多个MEMS麦克风，并进行与上述多个MEMS麦克风的录音相关的控制。上述麦克风阵列模块具有接收上述多个MEMS麦克风的信号的接收部和向上述控制部发送上述多个MEMS麦克风的信号的发送部，上述控制部从上述多个麦克风阵列模块分别接收上述多个MEMS麦克风的信号，并作为用于声学分析的信号进行处理。

发明的效果

根据本发明的一个方式，通过追加麦克风阵列模块，可以容易地增加麦克风的数量，上述MEMS麦克风阵列模块具有能够分别内置放大器或A/D转换器等的MEMS麦克风。因此，容易根据被测量物的尺寸来改变麦克风的数量，能够测量与被测量物相应的适当的声场分布。

附图说明

图1表示声学分析系统的一例。

图2表示麦克风阵列的控制系统的结构例。

图3表示麦克风阵列模块的结构例。

图4表示控制部的结构例。

图5表示模拟信号的一例。

图6说明延迟时间的计算方法。

图7表示麦克风阵列模块的另外一例。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施方式。

另外，本发明的范围不限于以下的实施方式，可以在本发明技术思想的范围内任意变更。

图1是本实施方式的具备麦克风阵列1的声学分析系统1000的结构例。

本实施方式的声学分析系统1000是使用近场声全息方法分析来自被测量物(声源)2的被测量声音的系统。在近场声全息方法中，需要测量与声源面2a接近且平行的测量面的声压分布，使用将多个麦克风mc以网格状配置的麦克风阵列1。

本实施方式中的麦克风阵列1具备网格状配置的M×N个麦克风mc。麦克风mc可以例如为MEMS(Micro-Electrical-Mechanical Systems微电子机械系统)麦克风。声学分析系统1000分析从M×N个麦克风mc分别输入的信号，并检测表示声音特征的物理量。

另外，声学分析系统1000具备声学分析装置100和显示装置200。

声学分析装置100具备信号处理部101、分析处理部102和存储部103。信号处理部101对来自麦克风阵列1的各麦克风mc的信号进行预定的信号处理，得到用于声学分析的信号。在本实施方式中，信号处理部101进行取得麦克风阵列1所具备的M×N个麦克风mc的信号的同步的处理。稍后将描述信号处理部101的具体结构。

分析处理部102分析由信号处理部101进行了信号处理的信号，检测表示声音特征的物理量。即，分析处理部分析由控制部处理后的信号，检测表示声音的特征的物理量。这里，表示声音特征的物理量包含声压分布和粒子速度分布等。并且，分析处理部102生成与表示声音特征的物理量对应的图像，进行使该图像显示在显示装置200上的显示控制。

存储部103存储分析处理部102的分析结果等。

显示装置200具备液晶显示器等监视器，显示作为声学分析装置100的分析结果的上述图像。

图2表示麦克风阵列1的控制系统的结构例。

麦克风阵列1的控制系统具备M个麦克风阵列模块C(1)～C(M)和控制这M个麦克风阵列模块C(1)～C(M)的控制部B。麦克风阵列模块C(1)～C(M)分别具有相同的结构。

麦克风阵列模块C(m)具备N个麦克风mc(m，1)～mc(m，N)和进行与这N个麦克风mc(m，1)～mc(m，N)的录音相关的控制的麦克风阵列控制部A(m)。N个麦克风mc(m，1)～mc(m，N)是在麦克风阵列1所具备的网格状配置的M×N个麦克风mc中排列成横1列或纵1列的麦克风mc。麦克风阵列模块C(m)可以作为例如智能扬声器(AI扬声器)。

M个麦克风阵列控制部A(1)～A(M)分别从N个麦克风接收信号(麦克风输入信号)。另外，假设由一个麦克风阵列控制部A(m)控制的N个麦克风的同步是以电气方式取得的。

控制部B可以由图1的信号处理部101具备。控制部B将录音指令和模拟信号S(t)分别发送到麦克风阵列模块C(1)～C(M)。

各麦克风阵列模块C(m)分别具有接收从控制部B发送来的录音指令的功能、响应录音指令而以相同采样周期dt同时接收N个麦克风mc的麦克风输入信号和来自控制部B的模拟信号S(t)的功能。各麦克风阵列模块C(m)还分别具有以下功能，将此时取得的N个麦克风输入信号和模拟信号S(t)进行A/D转换，将声学分析用的信号即N个麦克风输入数据D(m，1，dt)～D(m，n，dt)和模拟输入数据Ds(m，dt)发送到控制部B。

图3是表示麦克风阵列模块C(m)的结构例的图。

麦克风阵列控制部A(m)具备输入输出控制部111、N个输入信号接收部112和1个模拟信号接收部113。

输入输出控制部111控制麦克风阵列模块C(m)中的数据的输入输出。具体地说，输入输出控制部111进行控制，使得当接收到从控制部B发送来的录音指令时，响应该录音指令，N个输入信号接收部112和模拟信号接收部113以相同采样周期dt同时接收信号。即，接收部响应录音指令，同时接收多个MEMS麦克风的信号和模拟信号。

N个输入信号接收部112通过输入输出控制部111的控制，从麦克风mc(m，1)～mc(m，N)分别接收麦克风输入信号Mic(m，1，t)～Mic(m，N，t)。麦克风mc内置有使用了MEMS技术的声学换能器(MEMS芯片)和放大器，并被表面安装在基板上。麦克风mc通过声学换能器将声音(声压)转换成电信号，通过放大器将转换后的电信号放大并输出。

并且，各输入信号接收部112将接收到的麦克风输入信号Mic(m，1，t)～Mic(m，N，t)分别进行A/D转换，并将麦克风输入数据D(m，1，dt)～D(m，N，dt)输出到输入输出控制部111。

另外，模拟信号接收部113通过输入输出控制部111的控制，从控制部B接收模拟信号S(t)。另外，从控制部B发送的模拟信号S(t)没有经由延迟电路而被直接输入到模拟信号接收部113。模拟信号接收部113将接收到的模拟信号S(t)进行A/D转换，并将模拟输入数据Ds(m，dt)输出到输入输出控制部111。

输入输出控制部111接收N个输入信号接收部112所输出的N个麦克风输入数据D(m，1，dt)～D(m，n，dt)和模拟信号接收部113所输出的模拟输入数据Ds(m，dt)。然后，输入输出控制部111将接收到的麦克风输入数据D(m，1，dt)～D(m，n，dt)与模拟输入数据Ds(m，dt)一起发送到控制部B。即，发送部将由接收部接收到的多个MEMS麦克风的信号与模拟信号一起发送到控制部。

图4是表示控制部B的结构例的图。

控制部B具有对麦克风阵列模块C(1)～C(M)的麦克风阵列控制部A(1)～A(M)发送录音指令的功能、对麦克风阵列控制部A(1)～A(M)发送模拟信号S(t)的功能。即，控制部具有对多个麦克风阵列模块发送录音指令的录音指令部、对多个麦克风阵列模块发送模拟信号的模拟信号发送部。另外，控制部B具有从麦克风阵列控制部A(1)～A(M)接收麦克风输入数据D(m，n，dt)和模拟输入数据Ds(m，dt)的功能。进一步，控制部B具有使从麦克风阵列控制部A(1)～A(M)接收到的麦克风输入数据D(m，n)的相位一致的功能。即，控制部进行使从多个麦克风阵列模块接收到的多个MEMS麦克风的信号的相位一致的处理。

控制部B具备录音指令部114、模拟信号发送部115、延迟计算部116和延迟校正部117。

录音指令部114生成录音指令，将该录音指令分别发送到M个麦克风阵列控制部A(1)～A(M)。

模拟信号发送部115具有信号生成部115a和D/A转换部115b，生成模拟信号S(t)并发送到M个麦克风阵列控制部A(1)～A(M)。

图5是表示模拟信号S(t)的一例的图。

模拟信号S(t)是以固定周期振动，并且其振幅变动的信号，例如可以是以采样周期dt的10倍左右的固定周期T1进行振动，并且其振幅A_θ以周期T1的2倍以上的周期T2变动的信号。即，模拟信号发送部发送以固定周期进行振动并且振幅发生变动的信号作为模拟信号。

即，可以通过以下公式表示模拟信号S(t)。

S(t)＝A_θ(t)·sin(2πt/T1)......(1)

这里，可以通过以下公式表示振幅A_θ(t)。

A_θ(t)＝sin(2πt/T2)......(2)

返回图4，延迟计算部116计算从各个麦克风阵列模块C(m)取得的麦克风的信号的延迟时间td(m)。

在本实施方式中，延迟计算部116根据由各个麦克风阵列控制部A(m)发送的模拟输入数据Ds(m，dt)来计算延迟时间td(m)。即，延迟计算部根据由发送部发送的模拟信号，计算从多个麦克风阵列模块接收到的多个MEMS麦克风的信号的延迟时间。

具体地说，延迟计算部116将从任意麦克风阵列控制部A(m0)发送的模拟输入数据Ds(m0，dt)作为参考，将从其他麦克风阵列控制部A(m)发送的模拟输入数据Ds(m，dt)进行模式匹配。然后，以该模式匹配的结果为基础，延迟计算部116计算模拟输入数据Ds(m0)的相位与模拟输入数据Ds(m)的相位之间的差异，并且根据该差异计算从麦克风阵列模块C(m)接收到的数据的延迟时间td(m)。即，延迟计算部根据从作为多个麦克风阵列模块之一的第一麦克风阵列模块所具有的发送部发送的模拟信号的相位和从作为多个麦克风阵列模块中的另一个的第二麦克风阵列模块所具有的发送部发送来的模拟信号的相位之间的差异来计算延迟时间。

图6是说明延迟时间td(m)的计算方法的图。

在该图6中，三角标记(▲)是绘制作为参考的模拟输入数据Ds(m0)的图，而叉标记(×)是绘制从作为延迟时间td(m)的计算对象的麦克风阵列模块C(m)输出的模拟输入数据Ds(m)的图。

如上所述，延迟计算部116根据模拟输入数据Ds(m0)的相位与模拟输入数据Ds(m)的相位之间的差异，计算从麦克风阵列模块C(m)取得的数据相对于从麦克风阵列模块C(m0)取得的数据的延迟时间td(m)。

延迟计算部116对各个麦克风阵列模块C(1)～C(M)分别计算延迟时间td(1)～td(M)。并且，延迟计算部116将计算出的延迟时间td(1)～td(M)输出到延迟修正部117。

延迟修正部117根据由延迟计算部116计算出的延迟时间td(m)，进行使得从各个麦克风阵列模块C(m)取得的麦克风输入数据D(m，n，dt)的相位一致的处理，计算修正后的麦克风输入修正数据D’(m，n，dt)。即，延迟修正部根据延迟时间进行使得从多个麦克风阵列模块接收到的多个MEMS麦克风的信号的相位一致的处理。

例如，延迟修正部117通过将延迟时间td(m)舍入为采样周期dt的整数倍k并且将麦克风输入数据D(m，n，dt)在时间方向上偏移延迟时间(k点)量的数据移位方法来修正延迟时间。即，延迟修正部将从麦克风阵列模块接收到的多个MEMS麦克风的信号偏移延迟时间量。

D’(m，n，dt)＝D(m，n，dt+k)......(3)

k＝int(td(m)/dt).......(4)

在上述公式(4)中，int()是将括号内的值的小数点以下舍去的函数。

另外，作为另一修正方法，例如延迟修正部117可以使用对麦克风输入数据D(m，n，dt)进行频率分解，并且在每个频率上将相位提前的方法。在这种情况下，使用传递函数H(k)＝exp(-dω(k))进行以下公式所表示的运算。

F^-1(F(D(m，n，dt))◎H(k)).......(5)

在上述公式(5)式，◎表示卷积积分。

这样，延迟修正部117通过对麦克风输入数据D(m，n，dt)进行傅里叶变换来生成频域数据F(D(m，n，dt)，并且将从延迟时间td(m)导出的整数k对应的传递函数H(k)与该频域数据进行卷积并进行傅里叶逆变换。这样，可以在频率空间修正延迟时间。即，延迟修正部对从麦克风阵列模块接收到的多个MEMS麦克风的信号进行傅里叶变换来生成频域数据，将与延迟时间对应的传递函数和频域数据进行卷积并进行傅里叶逆变换，由此，在频率空间修正多个MEMS麦克风的信号。

另外，修正延迟时间的方法不限于上述方法，也可以应用任意的方法。另外，上述控制部B的功能也可以由任意的麦克风阵列控制部A(m0)来实现。即，多个麦克风阵列模块中的一个可以具备控制部。

另外，作为声学分析用的麦克风阵列，一般需要32通道以上的麦克风，需要准确地取得来自各麦克风的信号的同步。因此，一般由一个控制部实施与构成麦克风阵列的所有麦克风的录音相关的控制。

但是，例如在使用超过1000ch的大规模的麦克风阵列的情况下，为了由一个控制部控制所有的麦克风，需要专用机的开发，会有系统变得昂贵的问题。

因此，在本实施方式中，将进行与多个(N个)麦克风的录音相关的控制的麦克风阵列模块C(m)组合多个(M个)，构成具备M×N麦克风阵列的声学分析系统。

具体地说，声学分析系统具备分别控制N个麦克风的M个麦克风阵列模块C(m)和控制这M个麦克风阵列模块C(m)的控制部B。麦克风阵列模块C(m)具有接收N个麦克风的信号的接收部、向控制部B发送N个麦克风的信号的发送部，控制部B从M个麦克风阵列模块C(m)分别接收麦克风的信号，并作为用于声学分析的信号进行处理。

通过这样的结构，例如使用多个智能扬声器(AI扬声器)等民用中普及的8通道(ch)左右的麦克风阵列模块C(m)，可以廉价地实现可用于需要32通道以上的声学分析用的大规模的声学分析系统。

另外，在声学分析中，出于想要测量所有物体的要求，有根据被测量物的尺寸调整麦克风阵列的大小(麦克风的数量)的要求。在本实施例中，麦克风阵列模块C(m)所具备的麦克风mc是内置了放大器的MEMS麦克风，麦克风阵列模块C(m)具备麦克风、放大器以及A/D转换器等。因此，通过增加或减少连接到控制部B的麦克风阵列模块C(m)的数量，可以不需要复杂的系统设计的变更而容易地调整构成麦克风阵列的麦克风的数量。这样，本实施方式中的声学分析系统可以是一种容易改变麦克风的数量并且容易测量所有尺寸的被测量物的系统。

这里，如上所述，麦克风阵列模块C(m)可以作为智能扬声器(AI扬声器)。这样，可以组合多个AI扬声器并用于声学分析。

但是，在组合了多个AI扬声器的系统的情况下，即使从控制部同时向多个AI扬声器(麦克风阵列模块)发送了录音指令，由于通信处理的延迟等，各个AI扬声器(麦克风阵列模块))也会在各个定时测量声音。也就是说，在AI扬声器内可以容易地取得麦克风信号的同步，但是在不同的AI扬声器之间不能取得麦克风的信号的同步。

如上所述，在声学分析中，需要准确地取得各个麦克风的信号的同步。因此，为了增加构成麦克风阵列的麦克风的数量而增加了麦克风阵列模块(AI扬声器)的情况下，需要在麦克风阵列模块(AI扬声器)之间准确地取得麦克风的信号的同步。因此，在本实施方式中，控制部B对各麦克风阵列模块C(m)分别输入模拟信号S(t)作为同步用的信号。并且，在各个麦克风阵列模块C(m)中，同时接收模拟信号S(t)和麦克风输入信号Mic(m，1，t)～Mic(m，N，t)，并且将模拟输入数据Ds(m，dt)和麦克风输入数据D(m，n，dt)一起发送到控制部B。

由此，即使在各麦克风阵列模块中分别开始录音的定时不同，控制部B也使用与麦克风输入数据D(m，n，dt)一起接收到的模拟输入数据Ds(m，d)t)，能够使得所有麦克风输入数据D(m，n)的相位一致。也就是说，在组合了不同AI扬声器的系统中，能够在不同AI扬声器之间取得数据的同步。

这里，控制部B向各麦克风阵列模块C(m)发送的模拟信号S(t)为以固定周期振动的信号。由此，能够比较容易地计算各麦克风的信号的延迟时间，取得同步。另外，通过改变模拟信号S(t)的幅度，即使是延迟时间为模拟信号S(t)的一个周期以上的情况下，也能够适当地取得同步。

如以上说明的那样，在本实施方式中，可以实现以下的声学分析系统，其根据被测量物的尺寸容易地改变麦克风的数量，并且可以适当地得到可用于声学分析的同步的声音的数据。

(变形例)

在上述实施方式中，说明了麦克风阵列控制部A(m)具有直接接收从控制部B发送的模拟信号S(t)的功能的情况。但是，麦克风阵列控制部A(m)可以接收基于模拟信号S(t)的声音而代替直接接收模拟信号S(t)。

在这种情况下，例如，如图7所示，在麦克风阵列模块C(m)中设置麦克风mc(m，N+1)来代替模拟输入。另外，在距麦克风mc(m，N+1)一定的接近距离设置扬声器SP(m)。扬声器SP(m)是通过输入输出控制部111的控制，根据来自控制部B的模拟信号S(t)输出超声波频带的声音的声音输出部。麦克风mc(m，N+1)接收从扬声器SP(m)输出的声音，并输出麦克风输入信号Smic(m，t)。模拟信号接收部113将该麦克风输入信号Smic(m，t)作为模拟信号S(t)来接收。即，麦克风阵列模块还具有根据由模拟信号发送部发送的模拟信号来输出声音的声音输出部，接收部将声音作为模拟信号来接收。

这样，麦克风阵列模块C(m)可以通过音频输入接收模拟信号S(t)。由此，即使在麦克风阵列模块C(m)中没有模拟输入端子，也可以得到与上述实施方式同样的效果。

符号说明

1：麦克风阵列、2：被测量物(声源)、2a：声源面、100：声学分析装置、101：信号处理部、102：分析处理部、103：存储部、200：显示装置、1000：声学分析系统、A(1)～A(M)：麦克风阵列模块、B：控制部、mc：麦克风。

Claims

1.一种声学分析系统，其特征在于，

该声学分析系统具备：多个麦克风阵列模块，其分别具有多个MEMS麦克风，并进行与上述多个MEMS麦克风的录音相关的控制；以及

控制部，其控制上述多个麦克风阵列模块，

上述麦克风阵列模块具有：

接收部，其接收上述多个MEMS麦克风的信号；以及

发送部，其向上述控制部发送上述多个MEMS麦克风的信号，

上述控制部从上述多个麦克风阵列模块分别接收上述多个MEMS麦克风的信号，并作为用于声学分析的信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的声学分析系统，其特征在于，

上述控制部进行使从上述多个麦克风阵列模块接收到的上述多个MEMS麦克风的信号的相位一致的处理。

3.根据权利要求2所述的声学分析系统，其特征在于，

上述控制部具有：

录音指令部，其对上述多个麦克风阵列模块发送录音指令；以及

模拟信号发送部，其对上述多个麦克风阵列模块发送模拟信号，

上述接收部响应上述录音指令，同时接收上述多个MEMS麦克风的信号和上述模拟信号，

上述发送部将通过上述接收部接收到的上述多个MEMS麦克风的信号和上述模拟信号一起发送到上述控制部。

4.根据权利要求3所述的声学分析系统，其特征在于，

上述麦克风阵列模块还具有根据通过上述模拟信号发送部发送来的上述模拟信号输出声音的声音输出部，

上述接收部接收上述声音作为上述模拟信号。

5.根据权利要求3或4所述的声学分析系统，其特征在于，

上述模拟信号发送部发送以固定周期振动并且振幅发生变动的信号作为上述模拟信号。

6.根据权利要求3～5中任意一项所述的声学分析系统，其特征在于，

上述控制部还具备：

延迟计算部，其根据通过上述发送部发送的上述模拟信号，计算从上述多个麦克风阵列模块接收到的上述多个MEMS麦克风的信号的延迟时间；以及

延迟修正部，其根据上述延迟时间，进行使从上述多个麦克风阵列模块接收到的上述多个MEMS麦克风的信号的相位一致的处理。

7.根据权利要求6所述的声学分析系统，其特征在于，

上述延迟计算部根据从作为上述多个麦克风阵列模块之一的第一麦克风阵列模块所具有的上述发送部发送的上述模拟信号的相位和从作为上述多个麦克风阵列模块中的另一个的第二麦克风阵列模块所具有的上述发送部发送的上述模拟信号的相位之间的差异来计算上述延迟时间。

8.根据权利要求6或7所述的声学分析系统，其特征在于，

上述延迟修正部将从上述麦克风阵列模块接收到的上述多个MEMS麦克风的信号偏移上述延迟时间的量。

9.根据权利要求6或7所述的声学分析系统，其特征在于，

上述延迟修正部对从上述麦克风阵列模块接收到的上述多个MEMS麦克风的信号进行傅里叶变换来生成频域数据，

将与上述延迟时间对应的传递函数和上述频域数据进行卷积并进行傅里叶逆变换，由此，在频率空间修正上述多个MEMS麦克风的信号。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的声学分析系统，其特征在于，

上述多个麦克风阵列模块中的一个具备上述控制部。

11.根据权利要求1～10中任意一项所述的声学分析系统，其特征在于，

该声学分析系统还具备：分析处理部，其分析通过上述控制部进行处理后的上述信号，并检测表示声音特征的物理量。