CN114467312A - 具有改进方向性的二维麦克风阵列 - Google Patents

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Abstract

实施例包含一种阵列麦克风，其包括多个麦克风组，所述多个麦克风组以相对于第一轴的线性模式布置并且经配置以覆盖多个频带。每一麦克风组包括沿所述第一轴布置的第一麦克风及沿与所述第一麦克风正交的第二轴布置的第二麦克风，其中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离从由第一值的整数倍组成的第一群组选择，并且在每一元件内，所述第一麦克风与所述第二麦克风之间沿所述第二轴的距离从由第二值的整数倍组成的第二群组选择。

Description

具有改进方向性的二维麦克风阵列
交叉参考
本申请案主张2019年8月23日申请的第62/891,088号美国临时申请案的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案大体上涉及一种阵列麦克风。特定来说，本申请案涉及一种经配置以提供改进频率相关方向性的线性阵列麦克风。
背景技术
会议环境(例如会议室、董事会会议室、视频会议应用程序及类似者)可涉及使用一或多个麦克风从环境中活动的各种音频源捕获声音。举例来说，此类音频源可包含室内人类讲话者。所捕获声音可通过扬声器传播到环境中的本地观众，及/或传播到远离环境的其它人(例如，经由电视广播及/或网络广播、电话等)。
所使用的麦克风类型及其在特定会议环境中的放置可取决于音频源的位置、物理空间要求、美学、房间布局及/或其它考虑因素。举例来说，在一些环境中，麦克风可放置在靠近音频源的桌子或讲台上。举例来说，在其它环境中，麦克风可安装在头顶以捕获来自整个房间的声音。在又其它环境中，麦克风可安装到面向音频源的墙壁，例如在会议桌附近。
因此，麦克风可具有多种大小、形状因子、安装选项及接线选项以满足给定应用的需要。此外，不同麦克风可经设计以产生不同极性响应模式，包含例如全向、心形、子心形、超级心形、超心形及双向。为特定麦克风(或其中包含的麦克风盒)选择的极性模式可能取决于例如音频源所处的位置、排除非所要噪声的期望及/或其它考虑因素。
传统麦克风(例如，动态、晶体、电容式/电容器(外部偏置及驻极体)、边界、按钮等)通常具有固定极性模式及很少的可手动选择设置。为在会议环境中捕获声音，一次使用若干传统麦克风或麦克风盒来捕获环境内的多个音频源(例如，坐在桌子不同侧的人类讲话者)。然而，传统麦克风往往也捕获非所要音频，例如房间噪声、回声及其它不期望音频元素。许多麦克风的使用加剧了对这些非所要噪声的捕获。此外，虽然多个盒的使用也允许形成各种独立极性模式，但实现不同极性模式所需的音频信号处理及电路系统可能复杂且耗时。另外，由于频率响应不规则性以及盒内及盒之间的干扰及反射，传统麦克风可能无法均匀地形成所需极性模式且可能无法理想地捕获声音。
与传统麦克风相比，阵列麦克风提供若干益处。阵列麦克风由以特定模式或几何形状(例如，线性、圆形等)对准以作为单个麦克风装置操作的多个麦克风元件组成。阵列麦克风可具有不同配置及频率响应，这取决于麦克风相对于彼此的放置以及声波的到达方向。举例来说，线性阵列麦克风由沿单个轴相对靠近地定位在一起的麦克风元件组成。阵列麦克风的一个益处是能够提供可指引覆盖或拾取模式，其允许阵列中的麦克风聚焦于所需音频源并拒斥非所要声音，例如房间噪声。指引音频拾取模式的能力还允许不太精确的麦克风放置，这使得阵列麦克风更易于摆弄。此外，阵列麦克风提供用单个阵列或单元拾取多个音频源的能力，这同样归因于指引拾取模式的能力。尽管如此，由传统麦克风组成的现有阵列仍具有某些缺点，包含与传统麦克风相比相对较大的形状因子，以及通常限制环境中的放置选项的固定总体大小。
微机电系统(“MEMS”)麦克风，或以MEMS元件为核心换能器的麦克风由于其小的封装大小(例如，允许总体较低轮廓装置)及高性能特性(例如，高信噪比(“SNR”)、低功耗、良好灵敏度等)而变得越来越受欢迎。另外，MEMS麦克风通常更容易组装，并且成本比许多现有边界麦克风中的驻极体或电容式麦克风盒更低。然而，归因于MEMS麦克风封装的物理约束，常规MEMS麦克风的极性模式固有地是全向的，这意味着无论麦克风的定向如何，麦克风对来自任何及所有方向的声音都同样灵敏。这可能不太理想，尤其对于会议环境来说。
使用MEMS麦克风获得定向性的一种现有解决方案包含以阵列配置放置多个麦克风，并应用适当波束成形技术(例如，信号处理)以产生所需定向响应，或者是对来自一或多个特定方向的声音比对来自其它方向的声音更灵敏的波束模式。举例来说，边射线性阵列包含垂直于优选声音到达方向布置的一排MEMS麦克风。延迟及和波束成形器可用于组合来自各种麦克风元件的信号以便实现期望拾取模式。在一些边射阵列中，麦克风元件围绕中心点成对嵌套放置并且可彼此间隔开一定预定距离以覆盖各种频率。
举例来说，与传统阵列麦克风相比，由MEMS麦克风组成的线性或一维阵列麦克风可以更小、更薄的形状因子提供更高性能，并且具有更低复杂性及成本。此外，由于MEMS麦克风的全向性，此类线性阵列通常沿阵列的轴具有任意方向性。然而，此类线性阵列也有波瓣或声音拾取模式，其围绕阵列的轴对称，在所有其它维度上具有相等灵敏度，因此导致非所要噪声拾取。
因此，解决这些问题的阵列麦克风迎来了机会。更特定来说，需要具有改进频率相关方向性(特别是在对可懂度很重要的音频频率中)以及在给定环境内拒斥非所要声音及反射以便提供适合会议应用的完整的、听起来自然的语音拾取的能力的薄的、低轮廓、高性能阵列麦克风。
发明内容
本发明希望通过提供一种阵列麦克风及麦克风系统来解决上述及其它问题，所述阵列麦克风及麦克风系统经设计以尤其(1)提供一维形状因子，其对于大多数(如果不是全部的话)频率在常规上在所有方向上具有相等灵敏度的维度上具有添加的方向性；(2)通过沿第一轴放置一行第一麦克风，且对于每一第一麦克风，沿与第一麦克风正交的第二轴放置一或多个额外麦克风以便形成多个麦克风组，且通过配置每一麦克风组以覆盖一维阵列麦克风的期望倍频程中的一或的多者来实现添加的方向性；(3)提供音频输出，其利用基于由阵列中的麦克风捕获的声波的到达方向选择的波束成形模式，所选择波束成形模式提供增加的后拒斥及指引控制；及(4)具有适合会议环境的高性能特性，包含不同频率范围内的一致定向性、高信噪比(SNR)及宽带音频覆盖。
举例来说，一个实施例包含一种阵列麦克风，其包括以相对于第一轴的线性模式布置并且经配置以覆盖多个频带的多个麦克风组。每一麦克风组包括沿所述第一轴布置的第一麦克风及沿与所述第一麦克风正交的第二轴布置的第二麦克风，其中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离从由第一值的整数倍组成的第一群组选择，并且在每一组内，所述第一麦克风与所述第二麦克风之间沿所述第二轴的距离从由第二值的整数倍组成的第二群组选择。
另一实例实施例提供一种由一或多个处理器执行以为阵列麦克风产生输出信号的方法，所述阵列麦克风包括多个麦克风且经配置以覆盖多个频带。所述方法包括：从所述多个麦克风接收音频信号，所述麦克风经布置在麦克风组中，所述麦克风组经配置以沿第一轴形成线性模式并从所述第一轴正交延伸；确定所述所接收音频信号的到达方向；基于所述到达方向选择多个波束成形模式中的一者；根据所述所选择波束成形模式组合所述所接收音频信号以为每一麦克风组产生定向输出；及聚合所述输出以产生总体阵列输出。
另一实例实施例提供一种麦克风系统，其包括：阵列麦克风，其经配置以覆盖多个频带，所述阵列麦克风包括多个麦克风，所述多个麦克风布置在麦克风组中，所述麦克风组经配置以沿第一轴形成线性模式并从所述第一轴正交延伸；存储器，其经配置以存储用于处理由所述多个麦克风捕获的音频信号并基于所述音频信号产生输出信号的程序代码；及至少一个处理器，其与所述存储器及所述阵列麦克风通信，所述至少一个处理器经配置以响应于从所述阵列麦克风接收到音频信号而执行所述程序代码。所述程序代码经配置以从所述多个麦克风接收音频信号；确定所述所接收音频信号的到达方向；基于所述到达方向来选择多个波束成形模式中的一者；根据所述所选择波束成形模式组合所述所接收音频信号以为每一麦克风组产生定向输出；及聚合所述输出以产生总体阵列输出。
又一实例实施例提供一种麦克风系统，其包括阵列麦克风，所述阵列麦克风经配置以覆盖多个频带并且包括多个麦克风，所述多个麦克风沿所述阵列麦克风的第一轴以线性模式布置并从所述第一轴正交延伸；及至少一个波束成形器，其经配置以接收由所述多个麦克风捕获的音频信号，并基于所述音频信号产生具有基于所述音频信号的到达方向选择的定向极性模式的阵列输出，所述定向极性模式进一步经配置以拒斥来自一或多个其它方向的音频源。
这些及其它实施例以及各种排列及方面将从以下详细描述及附图中变得显而易见并且将得到更充分的理解，详细描述及附图阐述指示可采用本发明的原理的各种方式的说明性实施例。
附图说明
图1是根据一或多个实施例的示范性一维阵列麦克风的俯视图。
图2是根据实施例的根据第一波束成形模式展示示范性麦克风对选择的图1的麦克风阵列的示意图。
图3是根据实施例的展示根据第二波束成形模式的示范性麦克风对选择的图1的麦克风阵列的示意图。
图4是根据实施例的展示根据第三波束成形模式的示范性麦克风对选择的图1的麦克风阵列的示意图。
图5是根据实施例的包括图1的一维阵列麦克风的麦克风系统的框图。
图6是根据实施例的在图5的麦克风系统中包含的和及差波束成形器的框图。
图7是根据实施例的在图5的麦克风系统中包含的聚合波束成形器的框图。
图8是根据实施例的在图5的麦克风系统中包含的线性延迟及和波束成形器的框图。
图9是说明根据一或多个实施例的用于为一维阵列麦克风产生波束成形输出信号的示范性方法的流程图。
图10A及10B分别是根据一或多个实施例的定位在会议环境内的桌子的顶部上的图1的阵列麦克风的侧视图及俯视图。
图11A是展示根据一或多个实施例的在图10A中展示的阵列麦克风垂直于桌子的选择极性响应的极坐标图。
图11B是展示根据一或多个实施例的在图10B中展示的阵列麦克风在桌子的平面内的选择极性响应的极坐标图。
图12是展示根据一或多个实施例的图1的阵列麦克风的选择极性响应的极坐标图。
图13是根据实施例的安装到会议环境内的竖直墙壁的图1阵列麦克风的前视图。
图14是根据实施例的在图13中展示的阵列麦克风的定向响应标绘图。
具体实施方式
下面的描述描述、说明及例示根据本发明的原理的本发明的一或多个特定实施例。提供此描述不是为了将本发明限于本文描述的实施例，而是为了以使所属领域的一般技术人员能够理解本发明的原理的方式来解释及教示这些原理，并且在这种理解下，所属领域的一般技术人员能够将这些原理不仅应用于实践本文描述的实施例，而且还应用于实践根据这些原理想到的其它实施例。本发明的范围希望涵盖可能落在所附权利要求书的范围内的所有此类实施例，无论是在字面上还是在等效原则下。
应注意，在描述及图式中，类似或大体上相似元件可用相同参考编号标记。然而，有时这些元件可能会用不同的数字进行标记，例如举例来说在此标记促进更清晰描述的情况下。另外，本文阐述的图式不一定按比例绘制，并且在一些例子中，比例可能被夸大以更清楚地描绘某些特征。此类标记及绘图实践不一定暗示根本实质性目的。如上文陈述，本说明书希望被视作一个整体并根据如本文教示及为所属领域的一般技术人员所理解的本发明的原理进行解释。
本文提供用于具有一维形状因子的高性能阵列麦克风的系统及方法，所述阵列麦克风经配置以在各种频率下提供良好方向性，包含在可听范围内的更高频率，以及高信噪比(SNR)。特定来说，阵列麦克风包括：第一多个麦克风，其沿第一轴布置以实现所需频带或倍频程的覆盖；以及第二多个麦克风，其与第一轴及在其上的麦克风正交布置以针对所覆盖倍频程实现定向极性模式。示范性实施例包含将麦克风布置成多个组，每一组包含定位在第一轴上的第一麦克风以及定位在垂直于第一轴的第二轴上且与第一麦克风正交对准的一或多个额外麦克风。在实施例中，取决于特定应用或环境，可组合每一组的麦克风以创建法向于阵列麦克风的窄波束模式，或在麦克风组的维度内引导的窄心形极性模式。在这两种情况下，阵列麦克风波瓣可经引导朝向所需声源，且因此能够更好地拒斥环境中的非所要声源及反射。在优选实施例中，麦克风是MEMS换能器或其它全向麦克风。
图1说明根据实施例的用于在各种频率下检测来自一或多个音频源的声音的示范性阵列麦克风100。阵列麦克风100可用于会议环境，例如(例如)会议室、董事会会议室或其它会议室，其中音频源可包含一或多个人类讲话者。环境中可能存在可能是不期望的其它声音，例如来自通风系统、其它人员、音频/视频装备、电子装置等的噪声。在典型情形下，音频源可位于桌子旁的椅子上，尽管音频源的其它配置及放置可被考虑且为可行的，包含例如在房间内移动的音频源。阵列麦克风100可放置在会议环境中的桌子、讲台、桌面、天花板或其它水平表面上，以及墙壁或其它竖直表面上，以便检测及捕获来自音频源的声音，例如人类讲话者所讲的语音。
阵列麦克风100包含多个麦克风102(在本文中也称为“换能器”及“盒”)，其能够形成多个拾取模式以便最优地或一致地检测及捕获来自音频源的声音。可由阵列麦克风100形成的极性模式可取决于麦克风102在阵列100内的放置，以及用于处理由麦克风102产生的音频信号的波束成形器的类型。举例来说，和及差波束成形器可用于形成定向到所需声源的心形、子心形、超级心形、超心形、双向及/或超环面极性模式。可通过组合原始极性模式并将所组合模式沿例如阵列麦克风100搁置在其上的桌子的平面指引到任何角度来创建额外极性模式。其它波束成形技术可用于组合麦克风的输出，使得整个阵列麦克风100实现所需频率响应，包含例如更低噪声特性、更高麦克风灵敏度及离散频带的覆盖，如本文更详细描述。尽管图1展示特定数目个麦克风，但其它量(例如，更多或更少)的麦克风102是可行的且被考虑在内。
在优选实施例中，麦克风102中的每一者可为具有固有全向极性模式的MEMS(微机电系统)换能器。在其它实施例中，麦克风102可具有其它极性模式，可为任何其它类型的全向麦克风，及/或可为电容式麦克风、动态麦克风、压电麦克风等。在又其它实施例中，本文描述的布置及/或处理技术可应用于由需要定向性的全向换能器或传感器组成的其它类型的阵列(例如，声纳阵列、射频应用、地震装置等)。
麦克风102中的每一者可检测声音并将声音转换为音频信号。在一些情况下，音频信号可为数字音频输出(例如，MEMS换能器)。对于其它类型的麦克风，音频信号可为模拟音频输出，且阵列麦克风100的组件(例如模/数转换器、处理器及/或其它组件)可处理模拟音频信号以最终产生一或多个数字音频输出信号。在一些实施例中，数字音频输出信号可符合用于通过以太网传输音频的Dante标准，或者可符合另一标准。在某些实施例中，阵列麦克风100的处理器可根据麦克风102的音频信号形成一或多个拾取模式，并且处理器可产生对应于拾取模式中的每一者的数字音频输出信号。在其它实施例中，麦克风102可输出模拟音频信号，且阵列麦克风100外部的其它组件及装置(例如处理器、混频器、记录器、放大器等)可处理模拟音频信号。
如在图1中展示，麦克风102包含沿阵列麦克风100的长度并垂直于传入声波的优选或预期到达方向线性布置的第一多个麦克风104。第一多个麦克风104(在本文中也称为“第一麦克风”)沿阵列麦克风100的公共轴安置，例如第一轴105。第一麦克风104可经布置成线性阵列模式，所述线性阵列模式经配置以使用一或多个波束成形器或其它音频处理技术覆盖多个频带。特定来说，线性模式可经配置以在所覆盖多个频带内以不同倍频程(例如，600到1200赫兹(Hz)、1200到2400赫兹、2400到4800赫兹等)操作，使得阵列麦克风100的总体波束模式在倍频程之间保持基本上恒定。举例来说，可使用针对每一倍频程使用不同的阵列孔径的基于子带的缩放孔径(SSA)方法来实施线性模式，使得逐渐变低的频率倍频程由逐渐变宽的线性阵列来处理。为增强空间分辨率，当从较高倍频程移动到下一较低倍频程时，线性阵列孔径可加倍。
举例来说，另外参考图2，第一麦克风104可包含彼此间隔开第一距离D1的第一群组麦克风106，以形成经配置以覆盖第一或第N频率倍频程的第一子阵列。第一麦克风104还包含第二群组麦克风108，其经配置以形成第二子阵列以用于通过将麦克风108间隔开两倍于第一距离D1的第二距离来覆盖第二或下一更低频率倍频程(例如，第(N-1)倍频程)。类似地，第一麦克风104的第三群组110可经配置以形成第三子阵列，以用于通过将麦克风110间隔开两倍于第二距离或四倍于第一距离D1的第三距离来覆盖第三个又更低的倍频程(例如，第(N-2)倍频程)。换句话说，第一麦克风104之间的距离或间距可针对每一倍频程的频率值减半，或针对每一降低倍频程增加2倍。因此，用于覆盖最高或第N倍频程的麦克风106最接近，或形成最小孔径大小，用于覆盖最低倍频程(例如，第(N-2)倍频程)及以下的麦克风110相距最远，或形成最大孔径大小。
在实施例中，最小距离值D1可基于阵列麦克风100所需的线性阵列孔径大小、用于形成线性阵列模式的第一麦克风104的总数目以及将在阵列麦克风100中进行空间采样的频带来选择。其它设计考虑也可确定D1值，包含例如频率零值的期望位置、期望电延迟量以及避免空间混叠的准则。在一个实例实施例中，D1距离为大约8毫米(mm)。
在优选实施例中，谐波嵌套技术用于选择邻近第一麦克风104之间的距离，使得由子阵列106、108及110形成的线性模式被谐波嵌套。如将理解，将第一麦克风104布置在谐波嵌套子阵列(或嵌套)中可更高效且更经济，这是因为麦克风104中的一或多者可作为多个子阵列的部分被重新使用，因此减少覆盖阵列麦克风100的所关注倍频程所需的麦克风104的总数目。举例来说，因为第二子阵列108及第三子阵列110被放置在第一子阵列106中的麦克风104之间的距离D1的不同双倍(例如，分别为2及4)处，所以第一子阵列106可嵌套在第二子阵列108及第三子阵列110内，且第二子阵列108可嵌套在第三子阵列110内。因此，第一麦克风104中的一些可重新用于多个嵌套。特定来说，如图2中展示，第一嵌套106中的麦克风104中的至少三者也形成第二嵌套108的部分，且来自第二嵌套108的麦克风104中的至少三者也形成第三嵌套110的部分。
如图1中描绘，多个麦克风102进一步包含与第一麦克风104正交布置的第二多个麦克风112(本文也称为“第二麦克风”或“额外麦克风”)，以用于在各种所关注的频率或倍频程下添加方向性。特定来说，每一第二麦克风112被添加到阵列100以在相对于第一轴105的放置方面复制第一麦克风104中的一者，但经安置在与对应第一麦克风104正交且垂直于第一轴105的不同轴上，例如，第二轴107或与之平行的另一轴(本文也称为“正交轴”)。如在图1中展示，第一轴105在第一轴105的中心点(或中点)处穿过第二轴107或与之相交。
在一些实施例中，第一轴105与阵列麦克风100的x轴重合，且第二轴107与阵列麦克风100的y轴重合，使得阵列麦克风100位于x-y平面中，如在图1中展示。举例来说，当阵列麦克风100放置在桌子或其它水平表面上时，麦克风102可相对于桌子平面地布置，或者位于平行于桌子的顶部平面的第一平面中。在其它实施例中，取决于麦克风100的定向，第二轴107可为阵列麦克风100的正交轴中的另一者，例如z轴。举例来说，当阵列麦克风100放置在墙壁或其它竖直表面上时，麦克风102可相对于墙壁平面地布置，或者在平行于墙壁的前平面的第二平面中布置，如在图13中展示。在又其它实施例中，阵列麦克风可悬挂在自由空间中。在此类情况下，取决于所需声学效果及房间配置，定向可采用先前定向中的任一者。
在实施例中，每一第二麦克风112及由其复制的第一麦克风104共同形成麦克风组或对，其经配置以在所复制的麦克风104覆盖的频率倍频程中操作。举例来说，在每一麦克风组中，可基于由所述组覆盖的频率倍频程来选择第一麦克风104与对应第二麦克风112之间沿正交轴的间距或距离。此外，每一麦克风组的第一麦克风104及第二麦克风112可通过声学组合麦克风104与112来为所述麦克风组创建新拾取模式(例如，使用适当波束成形技术)而被视为或处置为阵列麦克风100的单个麦克风“元件”或单元。在一些实施例中，各种麦克风组可进一步分组在一起作为子阵列以产生阵列麦克风100的一或多个组合输出。作为实例，经配置以覆盖第一倍频程(例如，N)的所有麦克风组可被组合或聚合以创建用于在那个倍频程中操作的子阵列(例如，使用适当波束成形技术)。举例来说，各种子阵列中的每一者可经进一步聚合以为阵列麦克风100创建具有基本恒定波束宽度的总体输出。
作为实例，图2说明根据实施例的由阵列麦克风100的第一麦克风104及第二麦克风112形成的多个麦克风组114、116及118。第一群组麦克风组114包含来自第一嵌套106的用于覆盖第一或第N倍频程的第一麦克风104，以及经添加以复制第一嵌套106的第二麦克风112。在麦克风组114中，每一第二麦克风112经安置为与对应第一麦克风104相距第一距离D2。第二群组麦克风组116包含来自第二嵌套108的用于覆盖第二或第(N-1)倍频程的第一麦克风104，以及经添加以复制第二嵌套108的第二麦克风112。在麦克风组116中，每一第二麦克风112经安置为与对应第一麦克风104相距两倍于第一距离D2的第二距离。阵列麦克风100可进一步包含第三群组麦克风组118，其包括来自第三嵌套110的用于覆盖第三或第(N-2)倍频程的第一麦克风104，以及经添加以复制第三嵌套110的第二麦克风112。在麦克风组118中，每一第二麦克风112经安置为与对应第一麦克风104相距四倍于第一距离D2的第三距离。
因此，与沿第一轴105的邻近第一麦克风104之间的距离相似，给定麦克风组的麦克风104与112之间的距离随着每一倍频程的频率值而减半，或者随着每一降低倍频程而增加双倍(即，2倍)。在实施例中，第一多个麦克风组114中的麦克风104与112之间的距离D2可等于来自由组114覆盖的倍频程(即，第N倍频程)的期望频率的半波长，例如以在期望频率下创建零值。当组合给定麦克风组的麦克风104及112以产生组合输出时，还可选择距离D2以优化心形形成，如下文描述。在一个实例实施例中，D2距离为大约16mm。
如在图2中展示，数个麦克风组可包含相同的第一麦克风104，且因此可位于相同正交轴上。此布置至少部分归因于第一麦克风104沿第一轴105的谐波嵌套以及由若干第一麦克风104对多个倍频程的覆盖。更具体来说，经配置以覆盖数个频率倍频程的每一第一麦克风104可由沿同一正交轴以适当例如(频率相关的)距离安置的相等数目个第二麦克风112复制，因此创建共置麦克风组。换句话说，可位于同一正交轴上的第二麦克风112的总数目取决于由所述组的第一麦克风104覆盖的倍频程的数目。作为实例，在图1中，第一麦克风104a包含在所有三个嵌套106、108及110中，且因此用于覆盖所有三个倍频程(例如，N、N-1及N-2)。因此，在图2中，第一麦克风104a与三个不同第二麦克风112a、112b及112c配对，以便为三个倍频程中的每一者提供覆盖。相反，在图1中，第一麦克风104b包含在仅一个嵌套110中，且因此用于覆盖一个倍频程(例如，N-1)。因此，在图2中，第一麦克风104b与仅一个第二麦克风112d配对。
在实施例中，由麦克风102形成的多个麦克风组相对于第一轴105正交布置，以便维持由第一麦克风104沿第一轴105创建的线性阵列模式。更具体来说，第一麦克风104可构成阵列麦克风100的主要或顶部层，并且额外或第二麦克风112可安置在阵列100中，以便形成与主要层正交布置或在空间上布置在主要层后面的多个次要层或更低层。麦克风102的此类分层布置允许阵列麦克风100具有类似于一维或线性阵列麦克风的薄而窄的形状因子。举例来说，阵列麦克风100的正面120的总体长度及宽度可在很大程度上由主要层的尺寸，或者更具体来说，每一第一麦克风104的孔径大小及其它物理特性，以及主要层内邻近麦克风104之间的空间量(例如，D1或其整数倍)确定。在一些情况下，正面120可与阵列麦克风100的总体孔径重合，或构成阵列麦克风100的总体孔径。
阵列麦克风100的总体深度，或阵列100的正面120及背面122之间的距离(例如，沿y轴)，可由阵列麦克风100中包含的次要层的数目及每一层之间的间距来确定。阵列100中包含的次要层的确切数目可取决于将由阵列麦克风100覆盖的倍频程总数目，其又可确定每一层之间的距离，如本文描述。在一些情况下，次要层或被覆盖的倍频程的数目可由阵列麦克风100的装置外壳上的物理限制(例如，外壳的最大深度)确定。在所说明实施例中，阵列麦克风100的总体深度可由主要层及最后一个次要层之间的距离(例如，四倍于距离D2)确定，这是因为其它次要层嵌套在第一层与最后一个层之间的空间内。在一些实施例中，谐波嵌套技术用于选择主要层与次要层中的每一者之间的距离。虽然所说明实施例展示经配置以为三个不同倍频程(例如，N、N-1及N-2)提供添加方向性的三个次要层，但其它实施例可包含更多层以覆盖更多倍频程，因此增加阵列100的深度，或者包含更少层以覆盖更少倍频程，因此降低阵列深度。
阵列麦克风100可进一步包含一或多个支撑物124(例如，衬底、印刷电路板(PCB)、框架等)，以用于在阵列麦克风100的外壳内支撑麦克风102。在实施例中，麦克风102中的每一者可机械及/或电耦合到支撑物124中的至少一者。在一些情况下，麦克风102的每一层可安置在个别支撑物124上，并且各个支撑物124可在麦克风壳体内并排(例如，在y轴方向上)堆叠。在PCB支撑物124的情况下，麦克风102可为电耦合到一或多个PCB的MEMS换能器，并且每一PCB可电耦合到用于接收及处理由麦克风102捕获的音频信号的一或多个处理器或其它电子装置。支撑物124可具有任何适当大小或形状。在一些情况下，支撑物124可经定大小及成形以满足预先存在的装置外壳的约束及/或实现期望性能特性(例如，选择操作带、高SNR等)。举例来说，支撑物124的最大宽度及/或长度可由阵列100的装置外壳的总体高度及/或长度确定。
一般来说，图1及2中展示的阵列麦克风100可经配置用于边射使用，或优选地拾取大体上垂直于前麦克风104到达的声音，并忽略或隔离来自其它方向的声音。根据实施例，阵列麦克风100可经配置以产生引导朝向边射方向中的任一者的声波束(或主瓣)，以便捕获相对于前麦克风104以零度边射到达或相对于前麦克风104以180度边射到达的声音。也就是说，阵列麦克风100可不知晓x-y平面内的到达方向。当声源180度边射定位时，麦克风102的角色可翻转。举例来说，主要层或第一麦克风104可用作次要层，且额外麦克风112的次要层中的一者(例如，图1中的层N)可用作主要层。以此方式，阵列麦克风100可经配置以产生朝向任一边射到达方向的定向极性模式，并隔离来自所有其它方向的声音。
另外，适当波束成形技术可用于将由个别麦克风对(例如，麦克风组114、116及118)形成的声波束指引朝向不边射定位的期望音频源。举例来说，线性延迟及和波束成形方法可用于向每一麦克风组的音频信号添加一定量的延迟，所述延迟确定所述组的波束指引角。举例来说，延迟量可能取决于频率，以及麦克风组与音频源之间的距离。通过此频率相关的指引，可在较宽的频率范围内针对阵列麦克风100实现恒定波束宽度。
在实施例中，阵列麦克风100也可不知晓x-y平面内的非边射或斜角条件下的到达方向。举例来说，阵列麦克风100可捕获相对于正面120以第一斜角到达的声音，以及相对于背面122以相等但相反角到达的声音，或者相对于阵列麦克风的正面120以比第一斜角大180度的角度到达的声音。在此类情况下，麦克风的主要层及次要层可以本文针对边射条件描述的相同方式翻转或互换。
在实施例中，由于阵列100中麦克风102的独特几何形状或布局，第一麦克风104及第二麦克风112可以多于一种方式配对，以创建用于覆盖相同期望倍频程的麦克风组。可取决于声波的优选到达方向为阵列麦克风100选择麦克风对的特定模式或布置。特定来说，当声波的到达方向垂直于第一麦克风104或阵列麦克风100的正面120时，可根据针对阵列麦克风100的边射使用的一或多个波束成形模式来形成多个麦克风组。替代地，当声波的到达方向相对于阵列麦克风100的正面120成一定角度时，可根据针对阵列麦克风100的斜角使用的一或多个波束成形模式来形成多个麦克风组。
举例来说，图2展示第一边射波束成形模式200，其经配置用于垂直于前麦克风104且相对于阵列麦克风100的正面120成零度的到达方向。在实施例中，当声波的到达方向垂直于前麦克风104但相对于阵列麦克风100的正面120以180度接近时，可使用第二边射波束成形模式(未展示)。除了麦克风104的主要层与麦克风112的次要层中的一者交换角色外，第二边射波束成形模式可与图2中展示的波束成形模式200相同，这是因为声波将在到达第一麦克风104之前到达第二麦克风112。
图3描绘针对相对于第一轴105大于30度(例如，45度)的到达方向配置的第一斜角波束成形模式300。波束成形模式300包含经配置用于覆盖第一或第N倍频程的第一多个麦克风组314，类似于图2中的第一多个组114，经配置用于覆盖第二或第(N-1)倍频程的第二多个麦克风组316，类似于图2中的第二多个组116，以及经配置用于覆盖第三或第(N-2)倍频程的第三多个麦克风组318，类似于图2中的第三多个组118。模式300中的麦克风组中的每一者包括与第一波束成形模式200中的对应麦克风组相同的第一麦克风104，但包括不同的第二麦克风112。特定来说，对于每一组，第一麦克风104现在与和第一麦克风104成大约45度定位(或如图3所展示那样向右成对角线地)的第二麦克风112配对，而不是与和对应第一麦克风104直接正交的第二麦克风112(如在图2中)配对。在实施例中，当到达方向与图4所展示的相反(即，入射在背面122上或引导朝向背面122)时，形成相同麦克风组，但第二麦克风112与第一麦克风104在功能性方面互换。
图4描绘针对与图3中展示的到达方向偏移约90度或相对于第一轴105大于120度(例如，135度或-45度)的到达方向配置的第二斜波束成形模式400。波束成形模式400包含经配置用于覆盖第一或第N倍频程的第一多个麦克风组414，类似于图2中的第一多个组114，经配置用于覆盖第二或第(N-1)倍频程的第二多个麦克风组416，类似于图2中的第二多个组116，以及经配置用于覆盖第三或第(N-2)倍频程的第三多个麦克风组418，类似于图2中的第三多个组118。与模式300相似，模式400中的麦克风组中的每一者包括与来自第一波束成形模式200的对应麦克风组相同的第一麦克风104，但包括不同的第二麦克风112。特定来说，对于每一组，第一麦克风104现在与和第一麦克风104成大约-45度定位(或如图4所展示那样向左成对角线地)的第二麦克风112配对，而不是与和对应第一麦克风104直接正交的第二麦克风112(如在图2中)配对。在实施例中，当到达方向与图3所展示的相反(即，入射在背面122上或引导朝向背面122)时，可形成相同麦克风组，但第二麦克风112与第一麦克风104在功能性方面互换。
根据实施例，替代或成角度的波束成形模式300及400使得阵列麦克风100能够以最小或更小的指引来覆盖斜或倾斜到达方向角，举例来说，在使用边射模式200的情况下将需要这样做。当指引角趋向于端射阵列的指引角时(例如，相对于第一轴105为0或180度)，斜模式300及400也减轻波瓣变形。此外，基于到达方向选择合适波束成形模式的能力改进阵列麦克风100的定向性，而无需依赖于常规阵列麦克风所需要的在计算上繁重的信号处理。图3及4中分别展示的成对角线或45度的波束成形模式300及400利用阵列麦克风100的特定几何形状，其具有通过麦克风102的分层或正交布置以及额外层相对于主要层及第一麦克风104在主要层内相对于彼此的谐波嵌套配置创建的对称、网格状模式。其它实施例可包含例如取决于针对第一麦克风104之间的第一距离D1及/或主要层及第一次要层之间的第二距离D2选择的特定值，针对不同到达方向角配置的斜波束成形模式。
在所说明实施例中，第一边射模式200将麦克风102中的每一者放置到麦克风组或对中，而斜模式300、400中的每一者从麦克风配对排除麦克风102中的一或多者。此外，在每一模式300、400中，第三群组麦克风组318、418仅包含六个麦克风对，而模式200中的第三群组麦克风组118包含七个麦克风对。模式200、300及400之间的这些差异可能是归因于阵列麦克风100中麦克风102的特定布置及数目。在一些实施例中，阵列麦克风100可包含安置在经设计以将第三群组318及418中的每一者中麦克风组的数目从六个增加到七个的位置处的额外麦克风102。举例来说，在此类情况下，阵列麦克风100可在第三次要层中包含额外的第二麦克风112及/或在主要层中包含额外的第一麦克风104，以便为斜模式300及400中的一或两者创建第七配对。
图5说明根据实施例的示范性麦克风系统500。麦克风系统500包括类似于麦克风102的多个麦克风502、波束成形器504及输出产生单元506。麦克风系统500的各种组件可使用可由一或多个计算机执行的软件来实施，所述计算机例如具有处理器及存储器的计算装置，及/或通过硬件(例如，离散逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)，等等)来实施。举例来说，波束成形器504中的一些或所有组件可使用离散电路系统装置及/或使用执行存储在存储器(未展示)中的程序代码的一或多个处理器(例如，音频处理器及/或数字信号处理器)(未展示)来实施，所述程序代码经配置以实行本文描述的一或多个过程或操作，例如图9中展示的方法900。因此，在实施例中，系统500可包含图5中未展示的一或多个处理器、存储器装置、计算装置及/或其它硬件组件。在优选实施例中，系统500包含至少两个单独处理器，一个用于合并及格式化所有麦克风元件，且另一个用于实施DSP功能性。
麦克风502可包含图1中展示的阵列麦克风100的麦克风102，或根据本文描述的技术设计的其它麦克风。波束成形器504可与麦克风502通信，并可用于对由麦克风元件502捕获的音频信号应用适当波束成形技术以创建期望拾取模式，例如一阶极性模式(例如，心形、超级心形、超心形等)，及/或将模式指引到所需角度以获得定向性。举例来说，在一些实施例中，波束成形器504可经配置以组合麦克风502以形成多个麦克风对，组合麦克风对以形成多个子阵列，及组合子阵列以创建具有定向极性模式(例如心形拾取模式)的线性或一维阵列输出。输出产生单元506可与波束成形器504通信，并且可用于处理从波束成形器504接收到的输出信号，以经由例如扬声器、电视广播等进行输出产生。
在实施例中，波束成形器504可包含一或多个组件以促进处理从麦克风502接收到的音频信号，所述组件例如图6的和及差心形形成波束成形器600、图7的子阵列组合波束成形器700及/或图8的线性延迟及和指引波束成形器800。在一些情况下，各种波束成形器600、700及/或800可彼此通信以便为整个阵列麦克风产生输出。在一些情况下，波束成形器504包含给定波束成形器600、700或800的多个例子。波束成形器504还可执行其它波束成形技术或其组合以提供期望输出。
现在参考图6，根据实施例，和及差波束成形器600可经配置以组合由一组或一对给定的麦克风602捕获的音频信号，并为所述麦克风对产生具有定向极性模式的组合输出信号。更具体来说，波束成形器600可经配置以在与阵列麦克风(例如图1中的阵列麦克风100)的第一轴或正面正交布置的每一组第一及第二麦克风602上使用适当和差技术，以形成具有窄波瓣(或声音拾取模式)的心形元素，例如与个别麦克风602的全向极性模式相比。作为实例，第一麦克风602(或麦克风1)可包含沿阵列麦克风100的第一轴105安置的第一麦克风104中的一者，且第二麦克风602(或麦克风2)可包含安置在阵列麦克风100的正交轴上以复制所述第一麦克风104的第二麦克风112。可基于由第一麦克风602覆盖的频率倍频程来选择第一与第二麦克风602之间沿所述正交轴的间距或距离。
如图6中展示，将从第一麦克风602(例如，麦克风1)接收到的第一音频信号及从第二麦克风602(例如，麦克风2)接收到的第二音频信号提供到波束成形器600的求和组件604以及其差组件606。求和组件604可经配置以计算第一与第二音频信号的和(例如，麦克风1+麦克风2)，以产生所述对麦克风602的组合输出或求和输出。差组件606可经配置以从第一音频信号减去第二音频信号(例如，麦克风1–麦克风2)以产生用于第一及第二麦克风602的差分信号或输出。作为实例，求和组件604可包含一或多个加法器或其它求和元件，且差组件606可包含一或多个反相及和元件。
还如所展示，波束成形器600进一步包含用于校正由差组件606产生的差分输出的校正组件608。校正组件608可经配置以针对由差计算引起的梯度响应校正差分输出。举例来说，梯度响应可给予麦克风对的频率响应每倍频程6dB的斜率。为在宽频率范围内为麦克风对产生一阶极性模式(例如，心形)，必须校正差分输出，使得其与求和输出具有相同量值。在优选实施例中，校正组件608对差输出应用校正值(c*d)/(j*ω)，以获得麦克风对602的经校正差输出(例如，(麦克风1-麦克风2)*((c*d)/(j*ω))，其中c等于20摄氏度下声音在空气中的速度，d等于第一与第二麦克风之间的距离(例如，D2或其整数倍)，且ω等于角频率。在一些情况下，可执行第二量值校正以使差组件的灵敏度与求和组件的灵敏度相匹配。
波束成形器600还包含组合器610，其经配置以对由求和组件604产生的经求和输出与由校正组件608产生的经校正差输出进行组合或求和。因此，组合器610为所述对麦克风602产生具有定向极性模式(例如，心形)的组合输出信号，如图6中展示。
在一些实施例中，波束成形器600可经配置以从第一及第二子阵列而不是个别麦克风602接收音频信号，并使用图6中所展示的相同和差技术组合第一与第二子阵列信号。举例来说，第一及第二子阵列信号可由求和组件604求和，并且还提供到差组件606及校正组件608以计算其经校正差。所得经求和输出及经校正差分输出可经求和或组合在一起以为所述对子阵列产生定向输出。
在一个实施例中，第一子阵列可为通过在阵列麦克风100的主要层内组合经配置以覆盖给定频率倍频程的第一麦克风104而形成的子阵列。类似地，可通过组合安置在阵列100的额外层中的一者中以复制第一子阵列的麦克风104并覆盖相同倍频程的第二麦克风112来形成第二子阵列。在此类情况下，由波束成形器600产生的组合定向输出可特定于由第一及第二子阵列覆盖的频率倍频程。还考虑用以产生第一及第二子阵列的麦克风102的其它组合。
第一及第二子阵列信号可通过组合由每一子阵列内的麦克风捕获的音频信号来获得。用于组合这些麦克风信号的确切波束成形技术可取决于对应子阵列如何形成，或麦克风在所述子阵列中如何布置(例如，线性阵列、正交阵列、边射阵列、端射阵列等)而有所不同。举例来说，从线性或边射阵列中布置的麦克风接收到的音频信号可一起进行求和以产生子阵列信号。在一些情况下，波束成形器600可与一或多个其它波束成形器通信，以便接收第一及第二子阵列信号。举例来说，单独波束成形器可耦合到给定子阵列的麦克风，以便组合从所述麦克风接收到的音频信号并为所述子阵列产生组合输出信号。
现在参考图7，根据实施例，子阵列波束成形器700可经配置以组合给定数目n个麦克风对702(例如，麦克风对1到麦克风对n)的输出，并为由所述麦克风对702形成的子阵列产生组合输出信号。举例来说，参考图2，麦克风对702可为形成用于覆盖第一倍频程(例如，第N倍频程)的第一群组或子阵列114的多个麦克风组，形成用于覆盖第二倍频程(例如，第(N-1)倍频程)的第二群组或子阵列116的多个麦克风组，或形成用于覆盖第三倍频程(例如，第(N-2)倍频程)的第三群组或子阵列118的多个麦克风组。还考虑麦克风对702的其它组合。
如所展示，波束成形器700可接收每一麦克风对702的组合音频信号，并可将所述信号提供到波束成形器700的组合器网络704。组合器网络704可经配置以组合所接收到的信号或对其进行求和，以为麦克风对702产生组合子阵列输出。在实施例中，组合器网络704可包含多个加法器或能够将各种音频信号一起进行求和的其它求和元件。
在一些实施例中，波束成形器700可与多个其它波束成形器通信，例如图6中展示的波束成形器600，以便接收每一麦克风对702的组合音频信号。举例来说，波束成形器600可用于组合由第一及第二麦克风602(例如，麦克风1及麦克风2)产生的音频信号，并为所述所述对麦克风602产生具有心形形成的组合输出。波束成形器600的组合心形输出可提供到波束成形器700作为第一麦克风对702(例如，麦克风对1)的组合音频信号。类似技术可用于针对对应子阵列中的其它麦克风对702中的每一者向波束成形器700提供组合的心形输出。然后，组合器网络704可将所有心形输出组合在一起以为整个子阵列产生心形输出。
现在参考图8，根据实施例，延迟及和波束成形器800可经配置以使用适当延迟及及求和技术，朝向期望方向或音频源指引麦克风802的线性阵列的总体输出。如所展示，波束成形器800接收麦克风802的音频信号，并将其提供到延迟网络804。延迟网络804可经配置以向所接收音频信号中的每一者引入或添加适当延迟量。然后，将经延迟信号输出提供到和或求和网络806。求和网络806对从延迟网络804接收到的信号进行组合或聚合，以为被指引到所需角度的整个阵列创建组合输出。在实施例中，延迟网络804可包含多个延迟元件以用于向相应麦克风信号应用适当延迟量，并且求和网络包含能够对从多个延迟元件接收到的输出进行求和的多个加法器或其它求和元件。
在实施例中，麦克风802可使用本文描述的技术布置为线性或一维阵列，例如类似于图1中展示的阵列麦克风100。更具体来说，麦克风802可包含第一多个麦克风(例如，第一麦克风104)，其沿阵列麦克风的第一轴或正面线性布置，以及第二多个麦克风(例如，第二麦克风112)，其沿垂直于第一轴的一或多个不同轴与第一麦克风正交布置，例如如在图1中展示。第一及第二麦克风可形成经配置以相对于第一轴创建线性模式的多个麦克风组或对，例如如在图2中展示。在一些情况下，可使用适当波束成形技术(例如，波束成形器600)来组合每一对中麦克风802的输出。在此类情况下，波束成形器800可与一或多个波束成形器600通信，以便接收线性布置的麦克风对中的每一者的组合音频信号。在其它实施例中，波束成形器800可与一或多个波束成形器700通信，以便接收通过基于频率倍频程覆盖将线性布置的麦克风对组合在一起而形成的子阵列(例如，图2中的子阵列114、116及118)中的每一者的经组合子阵列信号。
由延迟网络804引入的延迟量可基于整个阵列的期望指引角、相应麦克风802在线性阵列中及/或相对于音频源的位置、麦克风802在阵列中如何配对、分组或以其它方式布置以及声音的速度。作为实例，如果音频源位于线性阵列麦克风的第一端，那么与安置在相对的第二端的第二组麦克风802相比，来自音频源的声音将在不同的时间到达安置在第一端的第一组麦克风802。为将来自第一端麦克风的音频信号与来自第二端麦克风的音频信号进行时间对准以进行适当波束成形，可通过延迟网络804向来自第二端麦克风的音频信号添加延迟。延迟量可等于来自音频源的声音在第一端麦克风802与第二端麦克风802之间行进所需的时间量。举例来说，除确定延迟量之外，波束成形器800可基于期望指引角、麦克风802在阵列内的位置以及音频源的位置来确定要延迟麦克风802或麦克风组中的哪一者。
图9说明根据实施例的为阵列麦克风产生输出信号的示范性方法900，所述阵列麦克风包括多个麦克风且经配置以覆盖多个频带。方法900的全部或部分可由阵列麦克风内部或外部的一或多个处理器(例如，图5的麦克风系统500中包含的音频处理器)及/或其它处理装置(例如，模/数转换器、加密芯片等)执行。另外，一或多个其它类型的组件(例如，存储器、输入及/或输出装置、发射器、接收器、缓冲器、驱动器、离散组件、逻辑电路等)也可与处理器及/或其它处理组件结合使用以执行方法900的任何、一些或所有步骤。举例来说，存储在系统500的存储器中的程序代码可由音频处理器执行以便实行方法900的一或多个操作。
在一些实施例中，方法900的某些操作可由图6的和差心形形成波束成形器600、图7的子阵列组合波束成形器700以及图8的线性延迟及和指引波束成形器800中的一或多者执行。阵列麦克风可为本文描述的且例如在图1中展示的阵列麦克风100。阵列麦克风中包含的麦克风可为例如固有全向的MEMS换能器、其它类型的全向麦克风、驻极体或电容式麦克风或其它类型的全向换能器或传感器。
返回参考图9，方法900开始于框902，其中波束成形器或处理器接收来自多个麦克风(例如，图1的麦克风102)的音频信号，所述麦克风布置在经配置以沿第一轴(例如，图1中的第一轴105)形成线性模式并从第一轴正交延伸的麦克风组中。更具体来说，每一麦克风组可包括沿第一轴布置以覆盖由阵列麦克风覆盖的多个频带内的一或多个倍频程的第一麦克风(例如，图1中展示的第一麦克风104中的一者)。每一麦克风组可进一步包括第二麦克风(例如，图1中展示的第二麦克风112中的一者)，其布置在与第一麦克风正交且垂直于第一轴的第二轴(例如，图1中的第二轴107)上。
在实施例中，每一第二麦克风可布置在阵列麦克风内，以在相对于第一轴的放置及频率覆盖方面复制第一麦克风中的一者。具体来说，每一第二麦克风可(沿正交轴)放置成与所复制的第一麦克风相距预定距离，所述预定距离是基于由第一麦克风覆盖的倍频程。因此，每一麦克风组可经配置以覆盖特定频率倍频程。谐波嵌套技术可用于选择第一麦克风沿第一轴的布置及/或第二麦克风相对于第一麦克风的布置。
多个麦克风组可进一步经布置以形成多个子阵列。举例来说，可基于频率倍频程将麦克风组分组在一起，使得每一子阵列覆盖不同倍频程(例如，图2中展示的群组114、116及118)。在一些情况下，数个麦克风组可位于(或共置于)同一正交轴上，因为其包含共同的第一麦克风但包含不同的第二麦克风。在此类情况下，第一麦克风可经配置以覆盖多个倍频程，并且第二麦克风中的每一者可经配置以仅复制所述倍频程中的一者，例如通过选择与第一麦克风的适当距离。因此，即使共置第二麦克风定位在同一正交轴上，其也可能属于不同子阵列。
在框904处，处理器或波束成形器确定在框902处从多个麦克风接收到的音频信号的到达方向。到达方向可以相对于阵列麦克风100的第一轴105的角度或角来测量。可使用一或多种波束成形技术来确定到达方向，例如互相关技术、元素间延迟计算及其它合适技术。
在框906处，处理器或波束成形器基于在框904处识别的到达方向来选择多个波束成形模式中的一者用于处理所接收音频信号。举例来说，多个波束成形模式可包含边射模式，例如图2中展示的波束成形模式200，以及至少一个斜角模式，例如图3中展示的波束成形模式300及/或图4中展示的波束成形模式400。如果到达方向法向于阵列麦克风的第一轴，或者音频源垂直于阵列麦克风定位，那么可选择边射模式。另一方面，如果到达方向相对于第一轴成一定角，或者音频源定位在阵列的一侧，那么可选择适当斜角模式。
在实施例中，处理器或波束成形器可存取存储在麦克风系统500的存储器中的数据库(例如，查找表)以确定要使用哪种模式。数据库可存储与每一模式相关联的到达方向值或值的范围。举例来说，如果到达方向相对于第一轴为约45度，或者落在45度左右的预设范围(例如，0度到60度)内，那么可选择第一斜角模式300。如果到达方向相对于第一轴为约135度，或者落在135度左右的预设范围(例如，120度到180度)内，那么可选择第二斜角模式400。并且，如果到达方向落在90度左右的预设范围(例如，61度到121度)内，那么可选择边射模式200。还可使用用于基于所检测到的到达方向选择适当波束成形模式的其它合适技术。
在一些实施例中，方法900从框906继续到框908，其中波束成形器或处理器应用适当波束成形技术以朝向期望方向或音频源指引阵列输出。举例来说，框908中的指引过程中的全部或部分可由图8的线性延迟及和指引波束成形器800来执行，或者通过以其它方式使用延迟及和技术以将线性阵列麦克风的输出指引到期望角来执行。如图9中展示，可在组合所接收音频信号之前执行指引技术以使用在框906处选择的波束成形模式实现期望定向输出。
在框910处，波束成形器或处理器根据所选择波束成形模式组合所接收音频信号以为每一麦克风组产生定向输出。在实施例中，组合所接收音频信号包含：对于每一麦克风组，组合从第一麦克风接收到的音频信号与从第二麦克风接收到的音频信号，并使用和差波束成形技术创建定向输出。因此，框910中的全部或部分可通过图6的和差波束成形器600来执行，或者通过以其它方式对针对每一麦克风组接收到的音频信号应用和及差心形形成技术来执行。
在一些实施例中，阵列麦克风的每一层中的麦克风可首先根据所覆盖倍频程进行组合以形成针对所述层的一或多个轴内子阵列(例如，图1中展示的主要层中的嵌套106、108及110)。在此类情况下，和差技术(例如波束成形器600)可应用于一对子阵列而不是一对麦克风。举例来说，和差波束成形器600可用于将来自图1中展示的阵列麦克风100的主要层的第一子阵列106与第一次要层组合，所述第一次要层与第一轴105正交添加以复制第一嵌套106的麦克风104。可对阵列麦克风中的剩余次要层中的每一者重复此过程。
在框912处，波束成形器或处理器聚合在框910产生的所有波束成形输出以为阵列麦克风提供总体或单个阵列输出。如本文描述，可使用一或多种不同技术将阵列麦克风的麦克风布置成子阵列。在框912处，可聚合或组合此类子阵列的输出(无论其是如何产生的)以产生总体阵列输出。一旦提供单个阵列输出，方法900就可结束。
作为实例，在其中在框910处将麦克风组合成麦克风组以改进定向性的实施例中，在框912处，可基于由每一组覆盖的频率倍频程将所述麦克风组进一步组合成各种子阵列。在此类实施例中，框912中的全部或部分可通过图7的子阵列组合波束成形器700来执行，以便聚合给定子阵列内麦克风对中的每一者的定向输出，并为所述子阵列产生总体子阵列输出。可针对阵列麦克风的每一子阵列或每一倍频程重复此过程。框912中的聚合过程可进一步包含聚合或组合各种子阵列输出以产生单个阵列输出。
尽管图9中描述框902到912，并在本文中描述为具有特定时间顺序，但在其它实施例中，可无序地或根据不同序列执行框中的一或多者。举例来说，在一些实施例中，框908的指引过程可在框910及/或框912之后执行。更具体来说，在此类情况下，在所接收音频信号被组合以形成麦克风组之后，在麦克风组被组合以形成子阵列之后，或者在子阵列被组合以形成单个阵列输出之后，可对阵列输出应用指引技术。
根据实施例，图1中展示及本文描述的阵列麦克风100可跨越各种设置或定向产生大体上一致的频率响应，所述设置或定向包含例如无论是放置在桌子或其它水平表面上，安装到天花板，还是水平附接到墙壁。特定来说，无论阵列定向如何，阵列麦克风100的波瓣都可以增加的后拒斥及指引控制或隔离的前接被引导朝向期望声源，因此改进阵列拒斥室内非所要声源及反射的能力，并提供高信噪比(SNR)。同时，由于麦克风102相对于音频源的布置，在某些定向之间可能存在细微或微小的行为差异。
图10A及10B说明根据实施例的示范性环境1000，其中阵列麦克风100放置在桌子1002或其它水平或大体上平坦表面上。桌子1002可为会议室桌子，例如其中多个音频源1004(例如，人类讲话者)处于或坐在桌子1002周围。在此环境1000中，阵列麦克风100可经定位使得正面120面向桌子1002的一侧，且背面122面向桌子1002的相对侧，如图10B中展示。因为阵列麦克风100不知晓x-y平面内的到达方向，所以阵列麦克风100可朝向桌子的两侧中的任一者引导边射极性模式，并隔离来自桌子的相对侧的声源(例如，其它讲话者或非所要噪声源)。另外，阵列麦克风100可使用本文描述的波束成形技术将主瓣或声波束指引到桌子1002周围的任何角。因此，阵列麦克风100可用于同时产生多个个别音频通道，其各自经定制以捕获特定讲话者或音频源1004，同时去除房间噪声、其它说话者噪声及其它非所要声音。以此方式，阵列麦克风100不仅可提供改进方向性，而且还可提供改进信噪比(SNR)及声学回声消除(AEC)性质。
图11A是根据实施例的图10A中阵列麦克风100的竖直方向性的极坐标图1100。更具体来说，极坐标图1100描绘阵列麦克风100针对1900Hz垂直于桌子1002且关于阵列麦克风100的零度方位角，或在未指引(或边射)条件下的频率响应。如所展示，阵列麦克风100的竖直定向响应形成心形极性模式，其具有比个别全向麦克风102的全360度拾取模式更窄的主瓣1102。因此，举例来说，阵列麦克风100能够更好地拒斥阵列后部处的非所要声源。
图11B是根据实施例的图10B中阵列麦克风100的水平方向性的极坐标图1110。更具体来说，极坐标图1110描绘阵列麦克风100针对1900Hz在桌子1002的平面中且关于阵列麦克风100的零度方位角，或在未指引(或边射)条件中的频率响应。如所展示，阵列麦克风100的水平方向响应形成单向或心形极性模式，其具有窄于180度的主瓣1112。此窄波瓣1112可以更大精度被引导或指引朝向桌子1002周围的个别音频源1004，而不拾取非所要噪声或房间反射。
图12是根据实施例的图10A及10B中阵列麦克风100针对2500Hz的水平及竖直方向性两者的极坐标图1200。具体来说，曲线1202描绘阵列麦克风100针对2500Hz在桌子1002的平面中以及在未指引或边射条件中(例如，引导朝向以零度定位的说话者)的频率响应。曲线1204描绘阵列麦克风100针对2500Hz垂直于桌子1002以及也在边射条件中的频率响应。如所展示，由曲线1202描绘的竖直定向响应形成心形极性模式，其具有比个别全向麦克风102的全360度拾取模式更窄的主瓣。也如所展示，由曲线1204描绘的水平定向响应形成单向或阵列极性模式，其具有比180度更窄的主瓣。通常，对于谐波子阵列，频率越高，方向性越大(即，波束宽度越窄)。这至少在图11A、11B及12中得到证明，其中针对2500Hz的水平定向响应曲线1202具有比针对1900Hz的水平定向响应曲线1112更窄的波束宽度。
图13说明根据实施例的示范性环境1300，其中阵列麦克风100水平地安装或附接到墙壁1302或其它竖直或直立表面。墙壁1302可在会议室或其它环境中，其中一或多个音频源(未展示)位于或处于墙1302前面。举例来说，音频源(例如，人类讲话者)可坐在桌子旁(未展示)且面向墙壁1302进行电话会议、电视广播、网络广播等。在此类情况下，阵列麦克风100可在电视或其它显示屏(未展示)下方水平放置在墙壁上，使得阵列麦克风100的正面120向下指向墙壁1302的底部1304(或地板)，且阵列麦克风100的背面122向上指向墙壁1302的顶部1306(或天花板)，如图13中展示。
图14是根据实施例的图13中展示的阵列麦克风100的定向响应的标绘图1400。更具体来说，标绘图1400描绘阵列麦克风100针对94dB SPL(声压级)关于阵列麦克风100的零度方位角，或在未指引(或边射)条件下的归一化灵敏度。如由区段1402展示，麦克风灵敏度在阵列麦克风100的前面或在大体上垂直于阵列的正面120的情况下显著更高。在实施例中，区段1402表示法向于阵列麦克风100创建或从墙壁1302直接指向房间的相对侧的聚焦声波束(或波瓣)。此声波束可通过使用延迟及和形成技术组合从每一麦克风组中的麦克风102接收到的音频信号来创建。举例来说，图8中的波束成形器800可用于应用严格及/或优化的延迟及和波束成形技术来创建所得方向性波束，其经配置以在被求和的麦克风所覆盖的倍频程内拒斥来自天花板及地板的非所要噪声及反射。
如由区段1404所展示，麦克风灵敏度在阵列麦克风100的左及右侧显著较低。在实施例中，区段1404可表示由于阵列麦克风100放置在墙壁1302上而在阵列100的相对侧处形成的零值。特定来说，当安装在墙壁1302上时，阵列麦克风100可能够拒斥或忽略来自最左侧及最右侧的声音，因为阵列几何结构自然地在左及右侧创建零值，并且使用延迟及和网络允许在阵列100的轴内的零值产生。如由标绘图1400的区段1406所展示，麦克风灵敏度可在麦克风102的平面内的任一方向上显著更高。
因此，本文描述的技术提供一种具有窄的、一维形状因子并在多个维度中具有改进频率相关方向性因此导致改进的信噪比(SNR)及宽带音频应用(例如，20赫兹(Hz))≤f≤20千赫兹(kHz))的阵列麦克风。阵列麦克风的麦克风以谐波嵌套的正交对布置，所述正交对经配置以相对于阵列麦克风的正面创建线性模式，并在一或多个正交层中复制线性模式以增加方向性。举例来说，当阵列麦克风放置在水平表面上时，一或多个波束成形器可用于为每一麦克风对产生定向输出，并组合定向输出以形成整个阵列的心形极性模式。当阵列麦克风安装到竖直表面时，麦克风可经组合以创建定向在正前方或法向于竖直表面的聚焦窄波束。因此，尽管阵列麦克风由低轮廓麦克风(例如，MEMS麦克风)组成，但其可在墙壁安装及桌子安装定向两者上提供增加的后拒斥及隔离的前接。
图中的任何过程描述或框应理解为表示模块、区段或代码的部分，其包含用于实施过程中特定逻辑功能或步骤的一或多个可执行指令，且本发明的实施例的范围内包含替代实施方案，其中功能可按照所展示或所论述的顺序执行，包含大体上同时或以相反顺序执行，这取决于所涉及的功能性，如所属领域的一般技术人员将了解。
本公开希望解释如何根据本技术设计及使用各种实施例，而不是限制其真实、期望及合理的范围及精神。前述描述不希望是穷尽性的或限于所公开的确切形式。可根据上述教示进行修改或变化。选择及描述实施例是为了最佳地说明所描述技术的原理及其实际应用，并使所属领域的一般技术人员能够在各种实施例中利用所述技术并进行各种修改以适合所考虑的特定用途。当根据其被合理、合法及平等地赋予权利的范围进行解释时，所有此类修改及变化都在由所附权利要求确定的实施例的范围内，如可在本专利申请案及其所有等效物的待决期间进行修正。

Claims (29)

1.一种阵列麦克风，其包括：
多个麦克风组，其以相对于第一轴的线性模式布置并且经配置以覆盖多个频带，每一麦克风组包括沿所述第一轴布置的第一麦克风及沿与所述第一麦克风正交的第二轴布置的第二麦克风，
其中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离从由第一值的整数倍组成的第一群组选择，并且在每一组内，所述第一麦克风与所述第二麦克风之间沿所述第二轴的距离从由第二值的整数倍组成的第二群组选择。
2.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中所述线性模式将所述多个麦克风组放置在谐波嵌套配置中。
3.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中数个所述麦克风组共置于同一第二轴上。
4.根据权利要求3所述的阵列麦克风，其中所述共置麦克风组包含相同的第一麦克风但包含不同的第二麦克风。
5.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中所述第二值基于所述多个频带中包含的频率值来确定。
6.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中所述第一值基于所述阵列麦克风的线性孔径大小来确定。
7.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中所述多个麦克风组经配置以形成用于覆盖所述多个频带中包含的第一倍频程的第一子阵列及用于覆盖所述多个频带中包含的第二倍频程的第二子阵列。
8.根据权利要求7所述的阵列麦克风，其中所述第二子阵列中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离是所述第一子阵列中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离的两倍。
9.根据权利要求7所述的阵列麦克风，其中所述第二子阵列中邻近麦克风之间沿所述第二轴的距离是所述第一子阵列中邻近麦克风之间沿所述第二轴的距离的两倍。
10.根据权利要求7所述的阵列麦克风，其中所述多个麦克风组进一步经配置以形成用于覆盖所述多个频带中包含的第三倍频程的第三子阵列。
11.根据权利要求10所述的阵列麦克风，其中所述第三子阵列中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离是所述第一子阵列中邻近麦克风之间沿所述第一轴的距离的四倍。
12.根据权利要求10所述的阵列麦克风，其中所述第三子阵列中邻近麦克风之间沿所述第二轴的距离是所述第一子阵列中邻近麦克风之间沿所述第二轴的距离的四倍。
13.根据权利要求1所述的阵列麦克风，其中每一麦克风是微机电系统(MEMS)麦克风。
14.一种由一或多个处理器执行以为阵列麦克风产生输出信号的方法，所述阵列麦克风包括多个麦克风且经配置以覆盖多个频带，所述方法包括：
从所述多个麦克风接收音频信号，所述麦克风经布置在麦克风组中，所述麦克风组经配置以沿第一轴形成线性模式并从所述第一轴正交延伸；
确定所述所接收音频信号的到达方向；
基于所述到达方向选择多个波束成形模式中的一者；
根据所述所选择波束成形模式组合所述所接收音频信号以为每一麦克风组产生定向输出；及
聚合所述输出以产生总体阵列输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中每一麦克风组包括沿所述第一轴布置的第一麦克风及在与所述第一麦克风正交的第二轴上布置的第二麦克风，且其中组合所述所接收音频信号包含，对于每一麦克风组，将从所述第一麦克风接收到的所述音频信号与从所述第二麦克风接收到的所述音频信号组合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中组合从所述第一麦克风接收到的所述音频信号包含使用和差波束成形技术来创建所述定向输出。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述麦克风组进一步经布置以形成多个子阵列，每一子阵列经配置以覆盖所述多个频带中包含的不同倍频程，所述方法进一步包括：
对于每一子阵列，组合所述子阵列中包含的所述麦克风组的所述定向输出以产生子阵列输出，其中聚合所述输出包含聚合所述多个子阵列的所述子阵列输出以产生所述总体阵列输出。
18.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：应用波束成形技术以朝向所需方向指引所述阵列输出。
19.根据权利要求14所述的方法，其中每一定向输出具有心形极性模式。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个波束成形模式包含边射模式及至少一个斜角模式。
21.根据权利要求14所述的方法，其中每一麦克风是微机电系统(MEMS)麦克风。
22.一种麦克风系统，其包括：
阵列麦克风，其经配置以覆盖多个频带，所述阵列麦克风包括多个麦克风，所述多个麦克风布置在麦克风组中，所述麦克风组经配置以沿第一轴形成线性模式并从所述第一轴正交延伸；
存储器，其经配置以存储用于处理由所述多个麦克风捕获的音频信号并基于所述音频信号产生输出信号的程序代码；
至少一个处理器，其与所述存储器及所述阵列麦克风通信，所述至少一个处理器经配置以响应于从所述阵列麦克风接收到音频信号而执行所述程序代码，其中所述程序代码经配置以：
从所述多个麦克风接收音频信号；
确定所述所接收音频信号的到达方向；
基于所述到达方向来选择多个波束成形模式中的一者；
根据所述所选择波束成形模式组合所述所接收音频信号以为每一麦克风组产生定向输出；及
聚合所述输出以产生总体阵列输出。
23.根据权利要求22所述的麦克风系统，其中每一麦克风是微机电系统(MEMS)麦克风。
24.根据权利要求22所述的麦克风系统，其中所述至少一个处理器从所述存储器检索所述所选择波束成形模式，所述存储器存储与对应到达方向相关联的每一波束成形模式。
25.根据权利要求22所述的麦克风系统，其中所述程序代码进一步经配置以应用波束成形技术以朝向所需方向指引所述阵列输出。
26.一种麦克风系统，其包括：
阵列麦克风，其经配置以覆盖多个频带并且包括多个麦克风，所述多个麦克风沿所述阵列麦克风的第一轴以线性模式布置并从所述第一轴正交延伸；及
至少一个波束成形器，其经配置以接收由所述多个麦克风捕获的音频信号，并基于所述音频信号产生具有基于所述音频信号的到达方向选择的定向极性模式的阵列输出，所述定向极性模式进一步经配置以拒斥来自一或多个其它方向的音频源。
27.根据权利要求26所述的麦克风系统，其中当所述到达方向为边射时，所述定向极性模式包含法向于所述阵列麦克风的所述第一轴引导的声波束。
28.根据权利要求26所述的麦克风系统，其中当所述到达方向是相对于所述第一轴的斜角时，所述定向极性模式包含朝向选择角指引的声波束。
29.根据权利要求28所述的麦克风系统，其中所述多个麦克风经布置在麦克风组中，每一组包括沿所述第一轴布置的第一麦克风及与所述第一麦克风正交布置的第二麦克风，且所述至少一个波束成形器通过基于与所述麦克风组相关联的频带对从每一麦克风组接收到的所述音频信号应用选择延迟量来指引所述声波束。
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