CN1325605A - 方向性强的话筒阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种具有强方向性的话筒阵列,该话筒阵列包括多个排列在细长外壳(10)内的话筒。成对布置单个话筒并且将各话筒对中的单个话筒布置在话筒阵列的中心线的两侧、将各话筒的信号累加形成话筒阵列的输出信号。各话筒之间以非等距布置在中心线两侧,并且在各话筒(M4－至M4+)与累加链路(S)之间连接低通滤波器(F1+、F2+、F3+、F4+、F1－、F2－、F3－、F4－)。同一话筒对中的各话筒被连接到具有相同截止频率的低通滤波器,对于各话筒对,低通滤波器的截止频率不同,其中距离中心线最远的话筒对(M4－、M4+)的截止频率最低,并且距离中心线越近的话筒对的截止频率越高。以这样的方式排列话筒阵列,即各话筒之间的间距以及低通滤波器的截止频率可以按比例互相调节。

Description

方向性强的话筒阵列
本发明涉及由多个排列在细长单元内或细长箱体内的话筒组成的话筒阵列。话筒阵列中的单个话筒成对排列，其中将各话筒对中的单个话筒分别设置到话筒阵列中心线的两侧，并且将来自各话筒的信号累加，形成话筒阵列的输出信号。
采用将来自有限数目各话筒的信号直接累加的此类话筒阵列表现出依赖于频率的方向性。通常，方向性取决于阵列的有效长度和在相关频率的声波波长。因此，低频(即波长L远大于阵列长度的频率)时所实现的方向性差，并且方向性随着频率的增加而增强，直到在波长远小于阵列长度时达到非常强的方向性。
话筒阵列提供某种程度方向性的最短波长依赖于阵列的总体长度，而方向特性不具有明显旁波瓣的最高频率依赖于阵列内话筒之间的距离。
因此，阵列的长度以及话筒之间的距离(还有话筒数)依赖于某个频率范围，在该频率范围内，要求给定的方向性在某个限度内。
例如，在会谈或召开会议时，使用这种以实现良好方向性为目的而配置的话筒阵列，将话筒设置到可以检测一个或多个可能发言者发出声音的位置，而不检测位于房间内其它位置、可以使用其它话筒的发言者发出的声音。此外，这种话筒阵列还用于同样要求检测讲话者的声音而不采集其它人员发出的杂音或通常所说的背景噪声的电话会议、电视会议等等。
还可以用于与个人计算机等有关的特定用途，在这种情况下，可以展望，可以将话筒阵列放置到屏幕的附近，例如：放置到屏幕的上部，这样话筒就可以检测到屏幕用户发出的语音。
对于这些应用来说重要的是话筒阵列小，因此可以容易地将它放置到适宜的位置，并且因此有合理的价格，这尤其意味着它需要具有相对简单的结构，不应含有太多、太复杂的部件。
例如，上述说明中限定的这种话筒阵列是由第4,311,874号美国专利披露的，为了实现要求程度的方向性，在各话筒阵列内使用了相对大量的话筒。以这样的方式来排列此阵列内的话筒，即话筒之间的距离不同，即非等距排列。
此外，已知的话筒阵列中的话筒以变化的距离排列，并且其各话筒被连接到不同类型的滤波器。例如，这可以由DE-36 33 991申请公开中了解，其中使用了具有相邻频带的带通滤波器。
本发明的目的在于，提供一种长度较短、话筒数量较少、装置相对简单并表现出强方向性的话筒阵列。
利用正如权利要求1所披露的那样配置的话筒阵列可以实现此目的。通过对话筒信号滤波，以便根据到中心面的距离，对于高频不激活话筒，可以实现在特定频率范围内阵列的有效长度保持与波长成正比，这样在相关频率范围内就可以保持方向性恒定。此外，当保持适当少量的话筒数时，通过适当选择话筒的准确位置并相应地适当选择滤波器特性，能够根据宽频带范围内的频率确定方向性。
根据权利要求2所述的适当实施例，利用最少数目的话筒并利用给定阵列长度，在较高频率f0以下，可以实现话筒阵列具有与频率无关的恒定方向性。频率从f0降到f0/3，可以实现恒定方向性。此外，频率在从f0/3降至f0/10范围内时，可以实现可能最强方向性。通过利用非定向话筒，例如非定向1级梯度话筒，可以进一步实现话筒阵列的主波瓣仅与阵列的一侧有关。
利用权利要求3所述的特定适当实施例，可以实现在5000Hz降至接近1670Hz的频率范围内具有恒定强方向性、并且在1670Hz降到接近500Hz的范围内(即在人类语音的大部分频率范围内)进一步具有尽可能最强方向性的话筒阵列。
根据诸如权利要求6或7所述的另一个实施例，对用户可以实现的进一步优势在于，它可以立即确定有关人士是否位于主波瓣区域内，使用方向性强的话筒阵列时这非常重要。
以下将参考附图更详细说明本发明，其中：
图1a示出根据本发明的话筒阵列配置方框图；
图1b示出根据本发明的话筒阵列的变换配置方框图；
图2示出话筒阵列内单个话筒在立体坐标系内的位置；
图3示出根据本发明的话筒阵列的方向特性，其中示出在水平面内频率从f0/3至f0的方向特性；
图4示出与图3所示的方向特性相应的方向特性，只是频率为f0/10；
图5示出根据本发明的话筒阵列的方向特性，其中示出在话筒阵列的垂直中心面内的方向特性；以及
图6示出根据本发明的话筒阵列的外壳的剖视图，其中内置一个用于指示阵列主波瓣的目测指示器。
根据本发明的定向话筒阵列包括细长单元或外壳，在细长单元或外壳内以线性方式，即成行设置多个话筒变送器，并且以下将话筒阵列称为话筒。可以将这些话筒设置到外壳内，这样就可以从所有方向接收声音，但是在以下将详细说明的实施例中，话筒仅从话筒阵列的前方接收声音，例如：当使用非定向1级梯度话筒时。可以利用图1a所示的方框图说明定向话筒阵列的配置。图1a示出多个成行排列的话筒M4-至M4+，将话筒对M1-、M1+分别设置到话筒阵列的中心线或中心面的两侧的中心，而剩余话筒对M2-、M2+,M3-、M3+,M4-、M4+被相应地在中心面的两侧分别设置一个，并逐渐增加距离所述中心面的距离。将各话筒送出的电信号分别连接到其单独滤波器F4-至F4+，各滤波器分别具有各自传递函数H4-(f)-H4+(f)。将各滤波器配置为利用2阶全通滤波器校正相位的3阶模拟低通滤波器，并将来自该滤波器的输出信号馈送到累加链路S，在累加链路S产生话筒阵列的最终输出信号。
可以这样配置低通滤波器F4-至F4+，使得各对中的低通滤波器相同并且它们与成对相关话筒对应。因此，截止频率fc4-至fc4+也成对相同，可以对这些频率加以调节，从而使这些频率从中心面起与话筒对的位置Y相关地减小。
在图1b中示出构成话筒电路的一种替代方式。在此，在话筒阵列中利用对称性，即滤波器F1+对应于滤波器F1+，滤波器F2+对应于滤波器F2-等等。图1b所示的电路的功能与图1a所示的电路的功能相同，但是此电路具有更少的部件，其中通过插入4个累加链路S1至S4，可以节省4个滤波器。
在图2中，在直角三维坐标系内示出话筒阵列中单个话筒M4-至M4+的位置，其特征在于，将8个话筒设置到Y轴上。因此，将各个话筒对中的各话筒分别设置到X-Z平面的两侧，其中X-Z平面构成话筒阵列的对称面。
根据仿真和实验，话筒到阵列中心面的距离Y和截止频率fc均发生变化，发现在这些参数之间存在某种关系，利用这种关系可以在宽频范围内实现恒定、强方向性且没有明显旁波瓣。此外，利用这些实验，可以确定在更高频率范围内可以实现尽可能最强的方向性。
在如下的表1中给出已确定的话筒的位置Y的近似值，以及滤波器的截止频率fc的相关近似值。相对于基准频率f0，对频率进行归一化处理，该频率是所要求的主波瓣所在的频带内的较高频率。同样，相对于在大气中具有基准频率f0的声波波长L0，对位置数值进行归一化处理。在本实施例中，在频率与声波波长之间的转换过程中使用的数值为声音在大气中的速度c=342m/s。利用此数值，对于最少数量的话筒数，并利用给定长度的阵列，在高频f0以下时，可以使话筒阵列具有恒定的方向性，而与频率无关。从频率f0降到频率f0/3之间可以实现恒定方向性。此外，在频率从f0/3降到f0/10的范围内，可以实现尽可能最强的方向性。表1：
话筒         位置Y/L0      截止频率fc/f0
M1+           0.33              1.1
M1-           -0.33             1.1
M2+           1.03              0.8
M2-           -1.03             0.8
M3+           1.85              0.45
M3-           -1.85             0.45
M4+           2.89              0.04
M4-           -2.89             0.04
例如，对于滤波器的截止频率，利用其频率特性被示为作为下表2内列出的频率的函数的幅值和相位的滤波器，可以获得表1中所列的数值。表2列出在f0/10至2f0之间滤波器的频率响应，滤波器的频率响应被表示为幅值(dB)和相位(度)。
                                          表2：
   频率(归一化)         H1-和H1+        H2-和H2+        H3-和H3+         H4-和H4+
   振幅(dB)    相位(度)    振幅(dB)    相位(度)    振幅(dB)    相位(度)    振幅(dB)   相位(度)
  0.100   -23.63    53.7   -25.00    58.6   -28.67    87.3   -12.37   57.7
  0.125   -22.40    43.4   -23.69    47.4   -27.25    73.7   -14.75   45.4
  0.160   -21.37    32.7   -22.56    35.6   -25.76    58.8   -17.32   31.6
  0.200   -20.54    21.6   -21.62    23.1   -24.25    42.1   -20.12   16.1
  0.250   -19.86    10.1   -20.87    9.8   -22.77    22.4   -23.13   -1.4
  0.315   -19.28    -1.8   -20.27    -4.6   -21.50    -2.3   -26.35   -21.7
  0.400   -18.70    -14.6   -19.79    -20.9   -21.04    -34.4   -29.72   -45.7
  0.500   -17.98    -29.2   -19.47    -40.4   -22.50    -70.5   -33.16   -75.8
  0.630   -16.90    -47.3   -19.55    -64.8   -25.88    -101.0   -36.62   -115.4
  0.800   -15.08    -74.6   -20.57    -94.6   -30.01    -122.5   -40.29   -167.4
  1.000   -13.56    -129.8   -23.08    -126.3   -34.25    -137.7   -44.73   133.6
  1.250   -19.29    162.3   -26.86    -154.8   -38.42    -148.9   -49.99   81.5
  1.600   -27.49    126.5   -31.30    -178.8   -42.48    -157.6   -55.50   42.3
  2.000   -35.09    103.3   -36.06    160.1   -46.45    -164.9   -61.06   13.3
在根据本例的实施例中，上限频率设置为5000Hz并且根据表3所示内容进行配置，这样就可以实现从5000Hz降到接近1670Hz的范围内具有恒定、强方向性的话筒阵列，并且还可以实现从1670Hz降到接近500Hz的范围内，即在人类语音的大部分频率范围内具有尽可能最强方向性的话筒阵列。
利用3阶低通滤波器和2阶全通滤波器可以直接实现这些滤波器。从电路技术的观点出发，此实现过程可以由本领域的技术人员根据提供的信息以多种不同方式完成。
                   表3：
话筒      位置Y(mm)    截止频率fc(Hz)
M1+        22.3           5500
M1-       -22.3           5500
M2+        70.3           4000
M2-       -70.3           4000
M3+        126            2300
M3-       -126            2300
M4+        198            200
M4-       -198            200
表4列出对应于表3所示的截止频率的滤波器的频率特性，其中用作为频率函数的振幅和相位示出频率特性。
表4
频率(Hz)          H1-和H1+        H2-和H2+         H3-和H3+         H4-和H4+
     振幅(dB)  相位(度)   振幅(dB)   相位(度)   振幅(dB)    相位(度)    振幅(dB)     相位(度)
 500     -23.63  53.7   -25.00   58.6  -28.67    87.3   -12.37     57.7
 630     -22.40  43.4   -23.69   47.4  -27.25    73.7   -14.75     45.4
 800     -21.37  32.7   -22.56   35.6  -25.76    58.8   -17.32     31.6
 1000     -20.54  21.6   -21.62   23.1  -24.25    42.1   -20.12     16.1
 1250     -19.86  10.1   -20.87   9.8  -22.77    22.4   -23.13     -1.4
 1600     -19.28  -1.8   -20.27   -4.6  -21.50    -2.3   -26.35     -21.7
 2000     -18.70  -14.6   -19.79   -20.9  -21.04    -34.4   -29.72     -45.7
 2500     -17.98  -29.2   -19.47   -40.4  -22.50    -70.5   -33.16     -75.8
 3150     -16.90  -47.3   -19.55   -64.8  -25.88    -101.0   -36.62     -115.4
 4000     -15.08  -74.6   -20.57   -94.6  -30.01    -122.5   -40.29     -167.4
 5000     -13.56  -129.8   -23.08   -126.3  -34.25    -137.7   -44.73     133.6
 6300     -19.29  162.3   -26.86   -154.8  -38.42    -148.9   -49.99     81.5
 8000     -27.49  126.5   -31.30   -178.8  -42.48    -157.6   -55.50     42.3
 10000     -35.09  103.3   -36.06   160.1  -46.45    -164.9   -61.06     13.3
对于这样配置的话筒阵列，可以实现在水平平面内，即在图2所示的X-Y平面的方向性特性，当频率从f0降到f0/3时的方向性特性示于图3。可以看到位于此平面内的主波瓣覆盖-15度到+15度之间的夹角。
图4示出在考虑阵列的波长(阵列的总波长只能等于f0/10处的波长的0.58倍)情况下，在水平平面对于频率f0/10记录的相应方向性特性，由此可以发现，即使在此低频率下仍可以对阵列实现强方向性。
图5示出在垂直平面(即图2所示的X-Z平面)对于全频记录的话筒阵列的方向性特性，由此可以发现，在此垂直平面内主波瓣覆盖了从-65度到+65度的夹角。所有所示出的特性都用此夹角描述，相对于X轴方向的灵敏度具有-3dB的灵敏度。
为了说明目测指示功能，在图6中示出根据本发明的话筒阵列的外壳10的一部分。所示这部分为垂直平面，例如中心面，即X-Z平面。在外壳10的前部设置光源11，光源11优选为点状灯，例如可以是发光二极管。在外壳10的前端设置开口12，光源发出的光可以由此射出。可以以这样的方式设置开口12的边缘，即在与话筒阵列主波瓣的夹角区域一致的特定夹角区域内可以观察到光源。
在图6中，在垂直平面内示出夹角区域14，所示的第一眼睛位于指示区域内，所示的第二眼睛位于指示区域外。通常，由嘴发出的声音需要被话筒阵列检测，然而与话筒阵列与用户之间的距离比较，用户眼睛与嘴之间的距离无关紧要，因此，可以假定当用户通过开口12可以看到光源11时，话筒阵列就可以检测到用户发出的话音。显然，可以沿外壳全长以这样的方式设置开口12，即以同样的方式指出主波瓣的整个空间方位角区域。

Claims (7)

1．一种话筒阵列，该话筒阵列包括多个排列在细长单元或细长外壳(10)内的话筒，在细长单元或细长外壳内话筒阵列中的单个话筒成对设置，其中将各话筒对中的单个话筒分别设置在话筒阵列中心线的两侧，将各话筒产生的信号累加以产生话筒阵列的输出信号，其特征在于，中心线两侧的各话筒之间以相互不同的间距布置，即非等距布置，并且在各话筒(M4-至M4+)与累加链路(S)之间连接低通滤波器(F1+、F2+、F3+、F4+、F1-、F2-、F3-、F4-)，与同一对话筒对有关的话筒被连接到具有相同截止频率的低通滤波器，其中对于各话筒对低通滤波器的截止频率是不同的，对于距离中心线最远的话筒对(M4-、M4+)截止频率最低，并且话筒对距离中心线越近截止频率越高，其中以这样的方式设置话筒阵列，即可以按比例对话筒之间的距离以及低通滤波器的截止频率进行互相调节。
2．根据权利要求1所述的话筒阵列，其特征在于，为话筒阵列设置8个话筒(M1-至M4-、M1+至M4+)，此话筒阵列直至较高频率f0仍具有恒定方向性，并且话筒阵列中心线到话筒对中一个话筒之间的距离Y为：
Y1+=0.33L0    Y1-=0.33L0
Y2+=1.03L0    Y2-=1.03L0
Y3+=1.85L0    Y3-=1.85L0
Y4+=2.89L0    Y4-=2.89L0
其特征在于，与各话筒对有关的低通滤波器的截止频率fc为：
fc1+=1.fc     fc1-=1.1fc
fc2+=0.8fc    fc2-=0.8fc
fc3+=0.45fc   fc3-=0.45fc
fc4+=0.04fc   fc4-=0.04fc
其中L0为较高频率f0的波长，在较高频率f0以下具有恒定方向性。
3．根据权利要求2所述的话筒阵列，其特征在于，所述较高频率为5000Hz，与68.4mm的波长L0对应，并且从话筒阵列中心线到话筒对中的各话筒的距离Y为：
Y1+=22.3mm     Y1-=-22.3mm
Y2+=70.3mm     Y2-=-70.3mm
Y3+=126mm      Y3-=-126mm
Y4+=198mm      Y4-=-198mm
其特征在于，与各话筒对有关的低通滤波器的截止频率fc为：
fc1+=5500Hz    fc1-=5500Hz
fc2+=4000Hz    fc2-=4000Hz
fc3+=2300Hz    fc3-=2300Hz
fc4+=200Hz     fc4-=200Hz
4．根据权利要求2所述的话筒阵列，其特征在于，低通滤波器为借助于模拟电子学方法利用二阶全通滤波器校正相位的三阶低通滤波器。
5．根据权利要求1所述的话筒阵列，其特征在于，所述话筒阵列中的各话筒均为相同类型的话筒。
6．根据权利要求1所述的话筒阵列，其特征在于，所述话筒阵列被装入细长外壳(10)内，使各话筒向外对着此外壳(10)的一侧，并在此外壳的该侧设置指示器，当所述用户位于话筒阵列主波瓣区域内时，该指示器可以指示用户。
7．根据权利要求6所述的话筒阵列，其特征在于，所述指示器为光源(11)，光源(11)被装在外壳(11)的切口或开口(12)内，这样将光源限制在外壳的切口或开口(12)内就形成与话筒阵列的主波瓣对应的、与此话筒阵列有关的夹角。
CNB998127558A 1998-11-12 1999-11-12 方向性强的话筒阵列 Expired - Lifetime CN1155292C (zh)

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