CN116783645A - 声学超材料设备、方法和计算机程序 - Google Patents

声学超材料设备、方法和计算机程序 Download PDF

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CN116783645A CN202280010669.1A CN202280010669A CN116783645A CN 116783645 A CN116783645 A CN 116783645A CN 202280010669 A CN202280010669 A CN 202280010669A CN 116783645 A CN116783645 A CN 116783645A
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Abstract

一种设备，包括：声学超材料(AMM)，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；至少两个麦克风(mic1、mic2)的麦克风阵列(MIC)，该麦克风阵列嵌入在声学超材料(AMM)中并且被配置为检测声波。

Description

声学超材料设备、方法和计算机程序
技术领域
本公开涉及声学领域，尤其涉及麦克风阵列和声波束形成、用于声波束形成的相应方法以及用于声波束形成的计算机程序。
背景技术
麦克风阵列通常由分布在空间的周边的一组麦克风组成，这些麦克风链接到评估设备，该评估设备记录电信号并将其处理为相干信号。通常，阵列由多个麦克风(全向麦克风，但也包括定向麦克风)组成。
现有技术的麦克风阵列技术遭受阵列特定的最佳频带之外的有限和受损的方向性。麦克风阵列的最大方向性由阵列孔径的大小、其中传感器的数量及其布置确定。
发明内容
根据第一方面，本公开提供了一种设备，包括：声学超材料，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；至少两个麦克风的麦克风阵列，其嵌入在声学超材料中并且被配置为检测声波。
根据另一方面，本公开提供了一种系统，包括设备，该设备包括：声学超材料，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；至少两个麦克风的麦克风阵列，其嵌入在声学超材料中并且被配置为检测声波。该系统还包括处理器，该处理器被配置为评估由麦克风阵列接收的信号以创建麦克风阵列的方向性图案。
根据另一方面，本公开提供了一种计算机实现的方法，用于从包括声学超材料的设备接收信号，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；至少两个麦克风的麦克风阵列，其嵌入在声学超材料中并且被配置为检测声波。该方法还包括评估由设备的麦克风阵列接收的信号以创建麦克风阵列的方向性图案。
在从属权利要求、以下描述和附图中阐述了其他方面。
附图说明
相对于附图通过示例的方式解释实施例，其中：
图1是示出圆形麦克风阵列的波束图案的示图；
图2是示意性地示出撞击到嵌入在假设高度为无限的圆柱体中的声学超材料中的麦克风阵列上的平面波的相速度的变化的示图；
图3是示意性地示出沿方向e传播通过无限圆柱体(CY)的平面波的示图，该无限圆柱体包括位于周围介质(SM)中的声学超材料(AMM)；
图4是示出撞击到填充有AMM的无限圆柱体上的平面波的声场的示图，该AMM的特征在于与SM中的相速度相比低的相速度；
图5是示出嵌入到特征为低频率下的低相速度的声学超材料中的圆形麦克风阵列的波束图案的示图；
图6是示出用作用于创建声学超材料的构造块的圆柱形板(slab)的示图；
图7是示意性地示出由声质量(AMC)和声顺(CC)组成的亥姆霍兹谐振器的示图；
图8是示意性地示出包括AMM(SL)的圆柱形板的塔(TW)的示图；
图9是示意性地示出图8所示的塔结构的概念性侧视图的示图，包括在两个板之间的示例性麦克风阵列；
图10a是示出在具有超材料的塔内部传播的平面波的压力场的模拟结果的示图；
图10b是示出在没有超材料的塔内部传播的平面波的压力场的模拟结果的示图；以及
图11是示出嵌入在具有超材料和没有超材料的塔中的麦克风的偶极子的方向性响应的示图，其中，超材料中的声速大约是没有超材料的声速的18.6％；
图12是示意性地示出包括麦克风阵列和波束形成处理器的系统的示图。
具体实施方式
实施例公开了一种包括声学超材料的设备，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；以及至少两个麦克风的麦克风阵列，其嵌入在声学超材料中并且被配置为检测声波。
麦克风阵列可以包括两个或更多个麦克风，其可以嵌入在声波在低频率下表现出低相速度的超材料中。麦克风例如可以包括压力传感器作为麦克风。
声学超材料可以是被设计为控制气体、液体和固体(晶格)中的声波的材料。超材料可以例如用于引导和/或操纵气体、液体和固体中的声波。声学超材料可以例如由多个子单元组成，这些子单元被周期性地布置，使得它们以限定的方式影响声波通过超材料的传播。子单元(也被称为元原子)的尺寸通常远小于受关注的频率区域内的声波的波长。声学超材料可以例如布置在具有期望声学特性的结构中。
声学超材料可以例如使用熔丝制造3D打印技术由丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料生产。应当指出，超材料制造有许多可能性。具有已知传递函数的每种材料或形成亥姆霍兹谐振器的任何材料可以用于声学超材料。可以使用诸如四分之一波长谐振器或膜的其他谐振声学元件来代替亥姆霍兹谐振器。
通过将麦克风阵列嵌入在表现出显著降低波在低频率下的相速度的特性的超材料中，该设备可以在低频率下提供与其最佳频带中相同或类似的高方向性。在低频率下显著降低的相速度可以减小波长并且允许利用传感器被相对靠近地放置在一起的阵列对具有大相位差的低频波进行空间采样。这使得能够在低频率下进行超方向性波束形成，否则这将是不可能的。在高频率下，超材料中的声波可以表现出与空气中的相速度相似的相速度。有益的是，选择阵列几何形状，使得发生混叠的频率足够高，并且然后设计超材料，使得它利用所选择的阵列几何形状确保低频率下的高方向性。两者的组合跨宽频率范围产生改进的方向性。本发明与阵列几何形状无关。
在声学超材料中，在低频率下，与周围介质相比，声波的相速度可以降低。周围介质可以例如是空气。此外，在声学超材料中，在低频率下，与周围介质中的相速度相比，声波的相速度可以显著更低。在高频率下，声学超材料中的声波可以表现出与周围介质中的相速度相似的相速度。此外，声学超材料可以表现出在低频率下提供低的波相速度的特性。这些低频率可以是当不存在超材料时麦克风阵列的方向性通常降低的那些频率。因此，“低频率”可以指低于最佳频带(在该最佳频带内，非色散介质中的方向性是阵列可以实现的最佳方向性)的频率，在该最佳频带中，方向性由于逆问题的不良调节而受损。为了改进给定阵列几何结构在周围非色散介质低于其最佳频带的性能，下面更详细地描述的实施例将其嵌入到超材料中，该超材料产生比低于最佳频带的非色散介质的相速度更低的相速度。在最佳频带中，它可以同时具有与非色散介质的相速度大致相同的相速度。
超材料成为向周围介质引入色散行为的构造块，但是优选地仅在超材料所在的体积内。超材料对相速度的影响可以随着频率的降低而逐渐增大。对于最佳频带以上的高频率，发生空间混叠，并通过空间模糊对方向性产生不利影响。理想地，超材料的效果补偿了麦克风阵列在较低频率下的方向性的降低。然而，为了实现改进，在没有超材料的麦克风阵列的方向性不是最佳的频率处，在某种程度上降低相速度就足够了。根据示例性设备的模拟结果，例如可以在100Hz至1300Hz之间显着地改进方向性。然而，这些数字仅用于说明性目的，因为它们取决于麦克风阵列的设计。
利用实施例的设备，与未嵌入在声学超材料中的麦克风阵列相比，可以在低频率下改进麦克风阵列的方向性，同时保持高频率下的性能。
例如，在声学超材料中，具有低频率的声波的相速度可以与周围介质中的相速度不同，而具有中频率或高频率的声波的相速度可以不与周围介质中的相速度不同。
根据实施例，声学超材料可以包括声学刚性壳体材料和多个谐振器。谐振器可以是相同的谐振器。具体地，谐振器可以是亥姆霍兹谐振器。亥姆霍兹谐振器可以包括已知体积V0的顺应性空腔，该顺应性空腔具有小声学质量通道开口，该通道开口具有横截面积并且在另一端具有较大腔以发出声音。
超材料可以例如包含嵌入在用作壳体的声学刚性材料的圆柱形板中的多个相同的亥姆霍兹谐振器。每个亥姆霍兹谐振器可以包括较大的顺应性空腔和小声学质量通道。
声学超材料可以包括声学超材料的多个子单元(片段)。此外，超材料可以按片段布置在麦克风周围。这些片段可以例如具有板、立方体、球形或长方体的形状或任何其他几何形状。超材料的圆柱形板可以用于在低频率下产生慢的声音。诸如板的片段可以是适合于容纳麦克风阵列的超材料的建筑石材。
声学超材料的片段可以是布置在塔中的板。例如，多个片段(例如，板)可以分组在一起成为更大的结构，例如堆积成塔。可以在每个片段之间留下间隙，这可以产生在间隙内在低频率下产生慢的声音的声学环境。麦克风阵列可以放置在例如片段之间的间隙的中心。在其他实施例中，麦克风可以嵌入在超材料中，超材料的轮廓可以是任何形状并且允许声音沿着所有三个维度自由传播。
实施例还描述了一种系统，该系统包括在此描述的设备以及处理器，该处理器被配置为评估由麦克风阵列接收的信号以创建麦克风阵列的方向性图案。处理器可以是CPU、微型计算机、计算机或被配置为执行计算操作的任何其他电路。处理器可以被配置为产生麦克风阵列的特定方向性图案。处理器可以被配置为基于分析声场建模和/或现有技术信号处理策略(例如，压缩感测(CS))来分解声音信号。诸如L1范数最小化、边缘保持总变化、使用方向取向场和方向总变化的迭代模型等的任何压缩感测技术可以用于分解声音信号。处理器可以被配置为基于声音信号的L1范数(例如声音信号的分解的系数)的最小化来分解声音信号。
实施例还描述了一种计算机实现的方法，该方法用于从设备接收信号并并且评估由该设备的麦克风阵列接收的信号以产生这里所描述的麦克风阵列的方向性图案。
当对单个源/平面波的场进行空间采样时(最简单的情况)，任何麦克风阵列中的麦克风之间的相位差很大程度上取决于各个麦克风之间的距离和声波波长。高频率波具有短波长，并且因此麦克风可以相对靠近地放置在一起并且仍然产生大的相位差，从而示出良好的波束形成性能。另一方面，低频率具有非常大的波长。因此，为了在低频率下获得高方向性波束形成器，麦克风需要相距很远(通常大于5m)[1，2，3]。所需的尺寸将很快使这种麦克风阵列不实用。
波束形成可达到的频带的下限与超过有限阵列孔径的相应波长有关。上限标志着阵列性能开始遭受空间混叠的点，因为与波场的空间变化相比，传感器间距离变大。低频率下的问题通过声学考虑来解释。然而，它同样是其他波现象(EM、结构等)所固有的。在低频率下的不良调节由相对紧密间隔的麦克风之间的小相位差引起。在低频率下，麦克风阵列的波束图案将遭受低方向性，而与几何布置无关。
图1可视化了圆形麦克风阵列在不同频率下的模拟方向性图案。已经利用包括半径为r＝0.1m的L＝9个麦克风的圆形麦克风阵列获得了模拟方向性图案。由麦克风阵列接收的声波的频率以100Hz到8kHz的范围显示在x轴上。方向性图案表示为密度图。密度图的y轴表示从-180度到180度的方向，从该方向波撞击在麦克风阵列上，该麦克风阵列被设置为瞄准0度方向。对于每个频率和方向，密度图的灰度级表示在0分贝到-20分贝范围内以分贝为单位的归一化阵列响应。麦克风阵列被配置为瞄准0度方向。在图中，亮区域示出了高阵列响应，暗区域示出了对入射平面波没有响应或低响应的方向。可以清楚地看出，由于逆系统的不良调节，波束宽度朝向低频率增大[4，5]。根据密度图，频率从100Hz到大约250Hz的方向性是全向的。这是由在低频率下相对紧密间隔的麦克风之间的小相位差引起的。在250Hz到3kHz之间，麦克风阵列表现出一定的方向性。朝向高频率，麦克风阵列的方向性增大。即，由于逆系统的不良调节，收听“波束”宽度朝着较低频率增大。在较高频率下，圆形阵列中的更多的麦克风接收具有显著相位差的信号，从而实现较好的方向性结果。
在高于3kHz的高频率下，可见空间混叠效应，其妨碍方向性结果。
现有技术的麦克风阵列通过对来自各个麦克风的信号进行延迟和求和来执行声波束形成，以针对声波入射的某个方向使阵列输出最大化。这主要依赖于各个麦克风信号之间的相位差。它们还可以执行进一步的信号处理以考虑特殊的几何形状、散射、频率响应或噪声滤波等。
如果通过增大麦克风之间的距离并由此使空间采样更粗糙来解决低频率下的不良调节的问题，则会出现不同的问题。采取该步骤将加剧空间混叠的问题，这将导致高频率下的波束图案中的伪像[1，2]。处理空间混叠的现有技术是设计阵列使得在受关注的频带内不会发生混叠、信号处理[6]或者通过使用充当空间低通滤波器的传感器来放置对破坏更高阶的抑制的手段[7]。
图2示意性地可视化了进入包括声学超材料的区域的声学平面波的相速度的变化。包括四个麦克风1、2、3和4的麦克风阵列MIC被嵌入在轮廓可视化的无限圆柱体CY中的声学超材料AMM中。此外，存在由撞击在麦克风阵列MIC上的平行条可视化的平面波PW。在圆柱体CY外部，平面波PW具有一定的相速度和频率。在圆柱体内部，由于声学超材料AMM，平面波PW具有较小相速度。与周围介质SM相比，声学超材料AMM中的较小相速度通过圆柱体CY外部的波前之间的较大距离和圆柱体CY内部的波前之间的较小距离可视化。
图3示意性地示出了包括位于周围介质中的声学超材料的图2的无限圆柱体的横截面。沿z轴在周围介质SM中扩展的无限圆柱体CY在截面图中被可视化。无限圆柱体CY包括在给定频率下具有一定密度ρ1的声学超材料AMM。圆柱体外部的周围介质SM具有密度ρ0，其中，|ρ0|<|ρ1|(参见参考文献[9])。平面波沿着矢量e的方向传播。该矢量e是传播的方向，在这种情况下，该方向限于xy平面。在圆柱体CY外部，平面波的相速度为c0，而在内部，相速度为c1，其中，c0>c1。
图4示出了撞击到由声学超材料构成的无限圆柱体上的平面波的模拟声场。由声学超材料AMM制成的无限圆柱体CY被放置在周围介质SM(这里是空气)中，如以上在图2和图3中描述的。无限圆柱体CY的声学超材料AMM被配置为使得声学超材料AMM中的声波的相速度小于在给定频率下周围介质中的相速度。如图2和图3所示，无限圆柱体CY在截面图中被可视化。根据声学模拟，频率为1412.5Hz的平面波从左撞击到由声学超材料AMM制成的无限圆柱体上。
图4示出了从模拟获得的声压的密度图。密度图的两个轴分别表示空间轴x和y。距离在-150mm至+150mm的范围内以mm为单位显示。无限圆柱体CY的直径为10cm并且沿着z轴扩展(无限地)。等高线图对于xy平面中的每个点示出了从模拟获得的相应声压。该声压是由平面波与(静态)环境大气压力引起的局部压力偏差。密度图的灰度级表示在-2.5Pa到+2.5Pa的范围内以帕斯卡为单位的声压。
从声压的图案可以看出，无限圆柱体CY内部的相速度小于周围介质SM内的相速度。这种增加的局部变化促进在低频率下产生超方向性波束形成器，否则在相同的空间维度内将不可能产生高方向性。
图5可视化了在不同频率下嵌入到声学超材料中的圆形麦克风阵列的模拟方向性图案。表示方向性图案的该密度图对应于具有声学超材料的附加特征的图1。如图1所示，利用包括半径为r＝0.1m的L＝9个麦克风的圆形麦克风阵列获得模拟方向性图案。由麦克风阵列接收的声波的频率以100Hz到8kHz的范围显示在x轴上。密度图的y轴表示阵列对从-180度到180度的方向撞击的平面波的响应，而阵列被设置为瞄准0度方向。对于每个频率和方向，密度图的灰度级表示在0分贝到-20分贝范围内以分贝为单位的归一化阵列响应。如图1所示，亮区域示出了强响应，暗区域示出了对入射平面波没有响应或低响应的方向。可以看出，方向性在100Hz至1300Hz之间显著改进，而在3kHz以上的频率下，性能仍然相当。由此得出，将传感器阵列嵌入到表现出在低频率下提供低相速度的特性的超材料中显著改进了低频率下的方向性，同时保持了高频率下的性能。因此，超材料的引入不是折衷的，而是方向性和频率范围的明显改进。
图6示意性地示出了用作用于创建允许声音沿着平行于xy平面传播的超材料的构造块的圆柱形板。如在本实施例中提出的用于构建超材料AMM的圆柱形板SL可以用于在低频率下产生慢的相速度。图的轴表示以mm为单位的距离。圆柱形板SL具有高度为17mm和直径为100mm的尺寸，并且包括多个相同的亥姆霍兹谐振器HR，该亥姆霍兹谐振器HR嵌入到声学刚性材料的壳体圆柱形板HSL中。也可以使用其他谐振器(例如，四分之一波长谐振器)来实现本发明的目的。在图6的实施例中，声学超材料具有盘状或板状形状。本领域技术人员将容易理解，超材料设备也可以是立方体、球形或长方体或任何其他几何形状。还应当注意，为了获得声学超材料，图6所示的板与谐振器的开口正上方的另一声学刚性边界(图6中未示出)连通，从而在谐振器上方创建薄的水平通道。在图8的实施例中，该第二声学刚性边界通过以小间隙堆叠板而产生，因为板的下侧形成刚性边界。
图7示出了亥姆霍兹谐振器。如本实施例中所提出的亥姆霍兹谐振器HR包括较大的顺应性空腔CC和小声学质量通道AMC。顺应性空腔CC可以例如具有4×4×13mm3的尺寸，并且声学质量通道AMC可以例如具有1.5×1.5×2mm3的尺寸。
声学质量通道中的空气由于空气自身的惯性质量而形成惯性质量系统。与顺应性空腔V0的体积的弹性相结合，孔谐振器形成质量弹簧系统，并因此形成谐波振荡器。对于球形体积V0，近似地对于立方体体积V0和质量通道S0的截面，质量弹簧系统精确地具有一个谐振频率，该谐振频率可以被计算为
公式中的其他因素是填充刚性容器的气体(主要是空气)中的声速cs，以及所谓的具有端部校正的颈部的等效长度Leq，其可以被计算为Leq＝L+0.3·D，其中，L是颈部的实际长度并且D是颈部的液压直径。
图8示出了包括如图6所示的圆柱形板的塔。图的轴表示空间轴。距离以mm为单位给出。圆柱形板SL本身是适合于容纳麦克风阵列的超材料结构的建筑石材。在每个圆柱形板SL之间以例如1mm至2mm的间隙将多个这些板堆叠到塔TW中，产生在间隙内在低频率下产生低相速度的声学环境。这些间隙用作谐振器上方的薄水平通道，其中，板的下侧在顶部形成声学刚性边界，而板的顶侧在下面是周期性填充谐振器的刚性边界。
在该特定实施例中，有11个圆柱形板SL，并且麦克风阵列(这里未示出)放置在两个圆柱形板SL之间的圆柱形间隙的中心。可以选择板的间隔和排列以及板的尺寸和结构，以及麦克风阵列的排列，以微调精确的方向性响应。通过以小间隙堆叠板，由于板的下侧形成刚性边界，因此在谐振器的开口正上方形成第二声学刚性边界，从而在谐振器上方创建薄的水平通道。
在图8的实施例中，麦克风嵌入到包括圆柱形板的塔中。在其他实施例中，麦克风可以嵌入到其轮廓可以是任何形状的超材料中。此外，在图8的实施例中，声音在xy平面中传播通过声学超材料，而不是沿着z轴传播。然而，实施例不限于此。在替代实施例中，声音可以沿任意方向传播通过声学超材料。
图9示意性地示出了图8所示的塔结构的概念性侧视图。在该图中，塔TW包括四个圆柱形板SL和包括两个麦克风mic1和mic2的麦克风阵列。麦克风阵列被放置在两个圆柱形板之间的间隙中。
图10a可视化了在周围介质中和具有超材料的塔内部传播的平面波的压力场的模拟结果。压力场被可视化为密度图。该图的轴表示以mm为单位的距离，并且灰度表示与相应介质的压力的压力偏差。包括具有亥姆霍兹谐振器HR的声学超材料的塔TW1在周围介质SM中被可视化。从密度图的图案可以看出，与周围介质SM相比，亥姆霍兹谐振器HR的存在降低了相速度，从而导致间隙内明显更短的波长。结构外部的波长将是343ms-1/1584.9Hz＝21.6cm，因此大于直径为10cm的结构。
图10b可视化了在周围介质和与图10a相同但没有嵌入亥姆霍兹谐振器的塔中沿正x方向传播的平面波的压力场的模拟结果。塔TW1基本上充满空气。可以看出，发生了一些折射，但是总波长在间隙内没有显著变化。
图11可视化了如图8所述的嵌入在塔中的间隙内的麦克风的偶极子的模拟方向性响应。对于塔(图8中的TW)由超材料的板组成的情况和对于板填充有空气的情况(实际上没有超材料塔)，提供模拟结果。该图示出了方向性响应，即对于在塔的间隙内间隔1cm嵌入的两个麦克风，麦克风阵列对从f＝1584.9Hz处的给定角度φ撞击到结构上的平面波的响应。圆形刻度表示以度为单位的所识别的声学信号的方向。径向标度表示灵敏度，标准化为从0°和180°方向接收的最大灵敏度。嵌入具有超材料的塔中的间隙内的麦克风的偶极子的方向性由线l1表示，并且嵌入填充有空气的塔中的间隙内的麦克风的偶极子的方向性由线l2表示。根据标准麦克风阵列文献，已知来自两个麦克风的信号可以被组合以通过取两个信号的差来产生偶极响应。结果将是8字形方向性。在图11的模拟方向性中可以清楚地看出，由线l1表示的具有超材料的结构的响应几乎完美地类似于8字形，其在0°和180°方向上具有最大灵敏度并且在90°和270°方向上具有最小灵敏度，这是高方向性的指示，而表示不具有超材料的结构的线l2具有朝向全向响应(处处为1)显著偏移的形状。对于两种模拟，假设相同的不相关背景噪声水平。这表明引入超材料改进了低频率下的方向性。
图12示意性地示出了包括嵌入在声学材料中的麦克风阵列120和处理器121的系统，处理器121被配置为评估由麦克风阵列接收的信号以分析由麦克风阵列捕获的声场。如图11所述，声学超材料影响麦克风阵列中的每个麦克风的方向性图案。本领域技术人员可以测量如由声学超材料修改的每个麦克风的方向性图案。这对应于对从所有可能方向撞击的平面波测量在每个麦克风处获得的频率响应。因此，处理器121处理计算机程序的指令，该计算机程序通过评估来自麦克风阵列的各个麦克风的信号来创建麦克风阵列的方向性图案。例如，通过考虑如由声学超材料修改的麦克风阵列的所有麦克风的方向性图案，可以产生麦克风阵列的“虚拟”方向性图案，如Buck,M.、Hansler,E.、Krini,M.、Schmidt,G.和Wolff,T.在“阵列处理和传感器网络手册(Handbook on Array Processing and SensorNetworks)”，2010中公开，S.Haykin和K.J.R.Liu[11]编辑的“用于语音增强的声学阵列处理(Acoustic Array Processing for Speech Enhancement)”[11]一章中所描述的那样。在参考文献[1]和[2]中可以找到通过分析由麦克风阵列捕获的声场来确定麦克风阵列的有效方向性图案的其他方法。具体地，可以应用所谓的“滤波和求和”波束形成器方法。同样，可以使用“延迟和求和”波束形成器、“滤波和求和”波束形成器、超方向性波束形成器和各种其他变体。根据这些技术，通过对来自麦克风阵列的不同麦克风的信号进行加权或滤波(频率相关加权)并且然后对其求和，产生麦克风阵列的方向性图案(由麦克风的所有麦克风的组合以及超材料对麦克风阵列的影响产生的有效方向性图案)。具体地，由声学超材料与周围介质之间的边界上的阻抗变化引入的散射或折射负责给予单个全向麦克风方向性。例如，可以在对所有通道求和之前对每个麦克风信号使用FIR滤波器来实现阵列的目标方向性图案。通常，考虑麦克风阵列中麦克风的不同位置并对其进行补偿。
美国专利第US2010/0329478A1号[8]公开了一种传感器系统，该传感器系统位于由第一介质构成的环境中，其中，波以第一相速度传播，该传感器系统包括至少一个主外壳和具有至少两个传感器的传感器阵列，所述传感器阵列布置在主外壳内部，其中，主外壳内部介于传感器阵列与主外壳的内表面之间的空间填充有第二介质，其中，波以第二相速度传播，第二相速度不同于第一速度。该机制可以用于向上或向下移动传感器阵列的最佳方向性的频带。然而，自然地，如果介质被选择为使得其在与空气相比在较低频率下改进方向性，则发生空间混叠的频率也向下偏移。该技术提出了一种优化的手段，但它仍然是一种折衷。
实施例还可以包括：
[1]一种设备，包括：
声学超材料(AMM)，其中，声波的相速度在低频率下降低；
至少两个麦克风(mic1、mic2)的麦克风阵列(MIC)，其嵌入在声学超材料(AMM)中并且被配置为检测声波。
[2]根据[1]的设备，其中，在声学超材料(AMM)中，在低频率下，与周围介质(SM)相比，声波的相速度降低。
[3]根据[1]或[2]的设备，其中，在声学超材料(AMM)中，在低频率下，与周围介质(SM)中的相速度相比，声波的相速度显著更低。
[4]根据[1]至[3]中任一项的设备，其中，在高频率下，声学超材料(AMM)中的声波表现出与周围介质(SM)中的相速度相似的相速度。
[5]根据[1]至[4]中任一项的设备，其中，在声学超材料(AMM)中，声波在低频率下表现出低相速度。
[6]根据[1]至[5]中任一项的设备，其中，与未嵌入在声学超材料(AMM)中的麦克风阵列(MIC)相比，在低频率下改进麦克风阵列(MIC)的方向性，同时保持高频率下的性能。
[7]根据[1]至[6]中任一项的设备，其中，在声学超材料(AMM)中，具有低频率的声波的相速度与周围介质(SM)中的相速度不同，而具有中频率或高频率的声波的相速度不与周围介质(SM)中的相速度不同。
[8]根据[1]至[7]中任一项的设备，其中，声学超材料(AMM)包括声学刚性壳体材料和多个谐振器。
[9]根据[1]至[8]中任一项的设备，其中，谐振器是亥姆霍兹谐振器(HR)、膜和/或四分之一波长谐振器。
[10]根据[1]至[9]中任一项的设备，其中，声学超材料(AMM)包括多个声学超材料(AMM)的片段。
[11]根据[1]至[10]中任一项的设备，其中，声学超材料(AMM)的片段是布置在塔(TW)中的板(SL)。
[12]一种系统，包括根据[1]至[11]的设备以及处理器(130)，被配置为评估由麦克风阵列接收的信号以创建麦克风阵列的方向性图案。
[13]一种计算机实现的方法，用于从根据[1]至[12]中限定的设备接收信号并且评估由设备的麦克风阵列接收的信号以创建麦克风阵列的方向性图案。
背景技术
麦克风阵列通常由分布在空间的周边的一组麦克风组成，这些麦克风链接到评估设备，该评估设备记录电信号并将其处理为相干信号。通常，阵列由多个麦克风(全向麦克风，但也包括定向麦克风)组成。
现有技术的麦克风阵列技术遭受阵列特定的最佳频带之外的有限和受损的方向性。麦克风阵列的最大方向性由阵列孔径的大小、其中传感器的数量及其布置确定。
因此，需要增强麦克风阵列的方向性特性。
参考文献
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[3]F.Hoffmann and F.M.Fazi,"Theoretical Study of Acoustic CircularArrays With Tangential Pressure Gradient Sensors,"in IEEE/ACM Transactions onAudio,Speech,and Language Processing,vol.23,no.11,pp.1762-1774,Nov.2015,doi:10.1109/TASLP.2015.2449083.
[4]Poletti,M.A.,Effect of Noise and Transducer Variability on thePerformance of Circular Microphone Arrays,Journal of the Audio EngineeringSociety,2005,53,371-384.
[5]Jens Meyer,Gary Elko,Spherical Harmonic Modal Beamforming for anAugmented Circular Microphone Array,ICASSP 2008.
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[7]Gary W.Elko,Jens M.Meyer,Polyhedral audio system based on at leastsecond-order eigen-beams,Patent US2014/0270245 Al.
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[9]Groby,J.-P.；Huang,W.；Lardeau,A.；Auregan,Y.,The use of slow wavesto design simple sound absorbing materials,Journal of Applied Physics,AIPPublishing,2015,117,124903.
[10]Marc Moonen and Simon Doclo,Digital Audio Signal Processing,2013/2014,https://homes.esat.kuleuven.be/～dspuser/dasp/material/Slides_2013_2014/Lecture-2.pdf.
[11]Markus Buck,Eberhard Hansler,Mohamed Krini,Gerhard Schmidt,TobiasWolff,Handbook on Array Processing and Sensor Networks,2010,Editors:SimonHaykin K.J.Ray Liu,Chapter 8“Acoustic Array Processing for SpeechEnhancement”,https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/9780470487068.ch8.
参考标记列表
AMM 声学超材料
PW 平面波
SM 周围材料
CY 无限圆柱体
MIC 麦克风阵列
1 麦克风1
2 麦克风2
3 麦克风3
4 麦克风4
e 向量
SL 圆柱形板
HSL 壳体圆柱形板
HR 亥姆霍兹谐振器
AMC 声学质量通道
CC 顺应性空腔
TW 塔
mic1 麦克风
mic2 麦克风
TW1 具有超材料的塔
TW2 没有超材料的塔
l1 TW1中的方向性
l2 TW2中的方向性。

Claims (13)

1.一种设备，包括：
声学超材料，其中，与在较高频率下的相速度相比，声波的相速度在低频率下降低；
至少两个麦克风的麦克风阵列，所述麦克风阵列嵌入在所述声学超材料中并且被配置为检测声波。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述声学超材料中，在低频率下，与周围介质相比，声波的相速度降低。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述声学超材料中，在低频率下，与周围介质中的相速度相比，声波的相速度显著更低。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，在高频率下，所述声学超材料中的声波表现出与周围介质中的相速度相似的相速度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声学超材料声波在低频率下表现出低相速度。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，与未嵌入在所述声学超材料中的麦克风阵列相比，在低频率下改进所述麦克风阵列的方向性，同时保持高频率下的性能。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述声学超材料中，具有低频率的声波的相速度与周围介质中的相速度不同，而具有中频率或高频率的声波的相速度不与周围介质中的相速度不同。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声学超材料包括声学刚性壳体材料和多个谐振器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述谐振器是亥姆霍兹谐振器、膜和/或四分之一波长谐振器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声学超材料包括多个声学超材料的片段。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述声学超材料的片段是布置在塔中的板。
12.一种系统，包括根据权利要求1所述的设备和处理器，所述处理器被配置为评估由麦克风阵列接收的信号以创建所述麦克风阵列的方向性图案。
13.一种计算机实现的方法，用于从根据权利要求1限定的设备接收信号并且评估由所述设备的麦克风阵列接收的所述信号以创建所述麦克风阵列的方向性图案。
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