CN1826019A - 麦克风设备 - Google Patents

Abstract

一种处理和输出包括至少9个麦克风的麦克风阵列的输出信号的麦克风设备包括把麦克风阵列的输出信号转换成单向信号，并输出所述单向信号的方向性函数处理电路。方向性函数处理电路把其变量为声波的入射角的方向性函数展开成一直到至少第三阶的傅里叶级数。从形成麦克风阵列的麦克风的输出信号，产生展开表达式中的变量。

Description

麦克风设备

相关申请的交叉参考

本申请包含与2005年2月2日提出的日本专利申请JP2006-048542相关的主题，该申请的全部内容引用于此，作为参考。

技术领域

本发明涉及麦克风设备。

背景技术

在视频会议中，发言者的讲话由桌上的麦克风拾取。麦克风还可拾取环境噪声，可能从麦克风输出不清楚的语音信号。存在利用麦克风拾取发言者的讲话，以便获得清楚的语音信号的方法。

第一种方法是使用定向麦克风，并当语音被输入麦克风时，在强调语音的同时抑制噪声。第二种方法是自适应地处理从麦克风输出的语音信号，从而降低噪声分量。第一种和第二种方法相对降低包括在语音信号中的噪声分量的水平，从而获得清楚的语音信号。

采用第一种方法的麦克风设备包括围绕基准麦克风(麦克风单元)布置的6个麦克风，其中利用傅里叶变换组合麦克风的输出，以致总的麦克风设备提供单向性能。

在日本未经审查的专利申请公开No.2002-271885中公开了这种麦克风设备。

发明内容

通过在单一声源的假设下，确定傅里叶变换中的一阶近似项(first-order approximation term)的值，并通过从一阶近似项导出三阶近似项的值，上述麦克风设备组合麦克风的输出。虽然这种麦克风设备提供单向性能，不过定向范围(即，能够获得增益的角度范围)和约偏离主轴±60°的范围一样宽。

但是，这样宽的定向范围(directional range)使得难以在存在多个声源或者某噪声源的环境中获得定向麦克风的所需效果。

于是希望提供一种具有窄的定向范围的单向麦克风设备，在所述定向范围中，指向性的方向以电的方式可变。

根据本发明的一个实施例，处理并输出包括至少9个麦克风的麦克风阵列的输出信号的麦克风设备包括把麦克风阵列的输出信号转换成单向信号，并输出所述单向信号的方向性函数处理电路，其中方向性函数处理电路把其变量为声波的入射角的方向性函数展开成一直到至少第三阶的傅里叶级数，从构成麦克风阵列的麦克风的输出信号产生展开的表达式中的变量。

于是，该麦克风设备具有尖锐的定向特性，该麦克风设备的定向方向可被改变。

附图说明

图1是表示麦克风的方向性函数的图；

图2A和2B是表示麦克风的方向性的特性图；

图3是分析单向麦克风的方向性的特性图；

图4是表示单向麦克风的方向性的分析结果的图；

图5A-5C是表示单向麦克风的方向性的特性图；

图6是根据本发明的一个实施例的麦克风阵列的布置图；

图7是利用近似表达式表示单向麦克风的方向性函数的图；

图8是表示一部分方向性函数的图；

图9是表示一部分方向性函数的图；

图10是表示一部分方向性函数的图；

图11是表示一部分方向性函数的图；

图12是表示一部分方向性函数的图；

图13是表示一部分方向性函数的图；

图14是表示根据本发明的一个实施例的方向性函数的图；

图15是根据本发明的一个实施例的麦克风设备的方框图；

图16A和16B是根据本发明的实施例的麦克风设备和相关领域的麦克风设备的特性图；

图17A和17B是根据本发明的实施例的麦克风设备和相关领域的麦克风设备的特性图；

图18是表示用于获得图14中所示的方向性函数的例证例程的流程图；

图19是表示一部分方向性函数的图；

图20是表示一部分方向性函数的图。

具体实施方式

方向性函数

麦克风是把从声源输出的声波转换成语音信号(音频信号)的转换器，并具有关于输入声波的方向、频率等的预定传输特性(transfercharacteristic)。

麦克风的特性由图1中所示的等式(1)给出。传输特性D(θ，ω)是随着输入声波的方向θ和角频率ω而变化，并且表示麦克风的方向性的函数。传输特性D(θ，ω)一般被称为“方向性函数”。从而，方向性函数表示麦克风的方向性。

例如，非定向(全向)麦克风具有图2A中所示的方向性图，方向性函数被如下给出：

D(θ，ω)＝1

双向麦克风具有图2B中所示的方向性图，方向性函数被如下给出：

D(θ，ω)＝cosθ

当存在单一声源时，等式(1)被满足。当存在N个声源时，对于每个声源，等式(1)被满足，于是，麦克风的特性由图1中所示的等式(2)给出。

单向麦克风的分析

图3表示单向麦克风的理想方向性函数(方向性)。使用下述定义：

θ：声源相对于麦克风的方向(角度)

θ_C：定向方向(定向麦克风的方向)

θ_W：定向范围(在其中可以获得增益的角度范围)

图解说明的特性被看作关于变量θ的方向性函数，并且可利用傅里叶级数写出，如图4中所示的等式(3)给出。利用一直到n＝3的近似表达式展开等式(3)，得到图4中所示的等式(4)。

在等式(4)中，通过设置例如θ_W＝60°并改变定向方向θ_C，获得图5A-5C中所示的定向特性。具有满足等式(4)的方向性函数的麦克风提供如图5A-5C中所示的相对尖锐的方向性，定向方向θ_C可被任意改变。

方向性函数的产生

参见图6，9个麦克风(麦克风单元)M0-M8被排列成相同平面上的三行三列的阵列，从而形成麦克风阵列10。麦克风M0-M8是非定向的。麦克风M0-M8在行方向和列方向上间隔同样的距离d。布置在中心的麦克风M4是基准麦克风。例如，麦克风M0-M8是压力型驻极体电容麦克风，距离d为21毫米。

声源(未示出)位于包括麦克风阵列10的平面中。声源和基准麦克风M4之间的距离由R表示，声波相对于麦克风M0-M8的入射角，或者说定向方向由θ表示。距离R大于麦克风M0-M8之间的距离d。入射角θ具有任意值。在图6中，在麦克风M0-M8的行方向上，入射角θ为0。

从声源输出的声波由图7中所示的等式(5)给出。麦克风Mi(i＝0-8)的输出信号由x_Mi(t)表示。

在麦克风阵列10中，等式(1)适用于基准麦克风M4。通过把等式(3)代入等式(1)中，并修改该等式，获得图7中所示的等式(6)。如同等式(4)中一样，通过利用一直到n＝3的近似式，写出等式(6)。

根据等式(6)，如果cosθ，cos2θ，cos3θ，sinθ，sin2θ和sin3θ被确定，那么麦克风阵列10具有例如如图5A-5C中所示的方向性。通过根据值θ_C和θ_W改变傅里叶系数a₀-a₃和b₁-b₃，可按照图5A-5C中所示的方式改变定向方向。

确定cosθ，cos2θ，cos3θ，sinθ，sin2θ和sin3θ的方法

根据麦克风M0-M3和M5-M8的输出信号，确定等式(6)中所需的cosθ，cos2θ，cos3θ，sinθ，sin2θ和sin3θ的值，这将在下面详细说明。

cosθ的情况

如图8中所示，当从声源输出的声波被输入在麦克风阵列10的中间行的麦克风M3、M4和M5时，如果从声源输出的声波由图7中所示的等式(5)给出，那么在声源和麦克风M3-M5之间出现图8中所示的路径长度差。麦克风M3-M5的输出信号由图8中所示的等式(7)给出。在等式(7)中，路径长度差以声源和基准麦克风M4之间的距离R为基础。

麦克风M3的输出信号和麦克风M5的输出信号之间的差异由图8中所示的等式(8)给出。当近似表达式sinα＝α的关系被应用于等式(8)时，等式(8)可被改变成图8中所示的等式(9)，并且等式(9)被修改成等式(10)。根据等式(10)，通过对麦克风M3和M5的输出信号进行算术处理，获得cosθ的值。

如果麦克风M4被设想成位于麦克风M3和M5之间的中点，那么显然按照等式(10)，可根据麦克风M3和M5的输出信号产生麦克风M4的输出信号。此外，等式(10)表明通过对麦克风M3和M5的输出信号进行算术处理，获得图2B中所示的双向特性。

sinθ的情况

如图9中所示，当从声源输出的声波被输入在麦克风阵列10的中间列中的麦克风M1、M4和M7时，在声源和麦克风M1、M4和M7之间出现图9中所示的路径长度差。麦克风M1、M4和M7的输出信号由图9中所示的等式(11)给出。在等式(11)中，路径长度长以声源和基准麦克风M4之间的距离R为基础。

麦克风M1的输出信号和麦克风M7的输出信号之间的差异由图9中所示的等式(12)给出。当近似表达式sinα＝α的关系被应用于等式(12)时，等式(12)可被改变成图9中所示的等式(13)，并且等式(13)被修改成等式(14)。

根据等式(14)，通过对麦克风M1和M7的输出信号进行算术处理，获得sinθ的值。此外，等式(14)表示通过对麦克风M1和M7的输出信号进行算术处理，获得其中图2B中所示的双向特性被移动90°的双向特性。

cos2θ的情况

等式(10)还表示麦克风M3的输出信号和麦克风M5的输出信号被用于确定位于它们之间中点的麦克风M4的输出信号。

如图10中所示，在麦克风M3和M4之间的中点设置虚拟麦克风V3，在麦克风M4和M5之间的中点设置虚拟麦克风V5。

分别借助导出等式(10)的类似程序，虚拟麦克风V3和V5的输出信号由图10中所示的等式(15)和(16)给出。等式(15)和(16)之间的差异由图10中所示的等式(17)给出。通过利用从等式(8)导出等式(10)的类似程序，从等式(17)导出图10中所示的等式(18)。

把等式(18)代入等式(17)中，并重新排列各项得到等式(19)。通过对等式(19)应用由图10中的等式(20)给出的倍角恒等式，获得图10中所示的等式(21)。等式(21)被修改成图10中所示的等式(22)。

根据等式(22)，通过对麦克风M3-M5的输出信号进行算术处理，获得cos2θ的值。

sin2θ的情况

确定cos2θ的类似程序被用于确定sin2θ。具体地说，如图11中所示，在麦克风M0和M6之间的中点设置虚拟麦克风V3，在麦克风M2和M8之间的中点设置虚拟麦克风V5。

分别借助导出等式(14)的类似程序，虚拟麦克风V3和V5的输出信号由图11中所示的等式(23)和(2)给出。等式(23)和(24)之间的差异由图12中所示的等式(25)给出。通过利用从等式(8)导出等式(10)的类似程序，从等式(25)导出图11中所示的等式(26)。

把等式(26)代入等式(25)中，并重新排列各项得到等式(28)。通过对等式(28)应用由图11中的等式(27)给出的倍角恒等式，获得图11中所示的等式(29)。

根据等式(29)，通过对麦克风M0、M2、M6和M8的输出信号进行算术处理，获得cos2θ的值。

cos3θ的情况

如图12中所示，在麦克风M0和M3之间的中点设置虚拟麦克风V0，在麦克风M3和M6之间的中点设置虚拟麦克风V6，在麦克风M3的位置设置虚拟麦克风V3。此外，在麦克风M2和M5之间的中点设置虚拟麦克风V2，在麦克风M5和M8之间的中点设置虚拟麦克风V8，在麦克风M5的位置设置虚拟麦克风V5。

分别借助导出等式(14)的类似程序，虚拟麦克风V0和V6的输出信号由图12中所示的等式(30)和(31)给出。等式(30)和(31)之间的差异由图12中所示的等式(32)给出。通过利用从等式(8)导出等式(10)的类似程序，从等式(32)导出图12中所示的等式(33)。把等式(33)代入等式(32)中，并重新排列各项得到等式(34)。类似地，对于虚拟麦克风V2、V8和V5，获得等式(35)。

在麦克风M4的位置设置虚拟麦克风V4，根据等式(34)和(35)确定虚拟麦克风V4的输出信号，从而获得图12中所示的等式(36)。通过把等式(36)和(10)代入由图12中所示的等式(37)给出的三倍角恒等式，得到图12中所示的等式(38)。

根据等式(38)，通过对麦克风M0、M2、M3、M5、M6和M8的输出信号进行算术处理，获得cos3θ的值。

sin3θ的情况

如图13中所示，分别在麦克风M3、M4和麦克风M5的位置设置虚拟麦克风V3、V4和V5。

分别借助导出等式(10)的类似程序，虚拟麦克风V3、V4和V5的输出信号由图13中所示的等式(39)、(40)和(41)给出。

此外，在虚拟麦克风V3和V4之间的中点设置虚拟麦克风Va，在虚拟麦克风V4和V5之间的中点设置虚拟麦克风Vb。分别借助类似的程序，虚拟麦克风Va和Vb的输出信号由图13中所示的等式(42)和(43)给出。根据等式(42)和(43)给出的信号，确定虚拟麦克风V4的输出信号，从而获得图13中所示的等式(44)。

把等式(44)和(14)代入由图13中所示的等式(45)给出的三倍角恒等式，得到图13中所示的等式(46)。

根据等式(46)，通过对麦克风M0-M3和M5-M8的麦克风的输出信号进行算术处理，获得sin3θ的值。

麦克风输出的合成

通过分别用等式(10)、(22)、(38)、(14)、(29)和(46)替换cosθ、cos2θ、cos3θ、sinθ、sin2θ和sin3θ，获得图14中所示的等式(7)。根据等式(47)，显然基准麦克风M4的输出信号被与剩余麦克风M0-M3和M5-M8的输出信号结合，从而获得如图5A-5C中所示的相对尖锐的方向性(方向性函数)，并且定向方向θ_C可被任意改变。

在等式(47)中，一些项被乘以1/(jω)。通过进行把相应信号变换到频域中的傅里叶变换，进行该算术运算。具体地说，1/j的乘法意味着在每个频率下的语音信号分量的相位被提前90°。在实际的算术运算中，傅里叶变换之后每个频带中的语音信号分量被处理，从而通过反转实部的符号，虚部的值被实部的值替换，实部的值被虚部的值替换。

1/ω的乘法导致信号分量的幅度(电平)根据频率(ω/2π)而变化，幅度也被补偿。

实施例

图15表示根据本发明的一个实施例的麦克风设备。该麦克风设备被配置成以致定向范围θ_W较窄，并且根据上面所述的原理，定向方向θ_C是可变化的。

该麦克风设备包括具有图6中所示结构的麦克风阵列10。麦克风M0-M8的输出信号通过9通道麦克风放大器11被提供给9通道模-数(A/D)转换器电路12，并被A/D转换成数字信号。数字信号被提供给方向性函数处理电路13，执行由等式(47)给出的处理，从而抽取信号y(t)。下面将说明该处理方法的细节。

输出信号y(t)被提供给数-模(D/A)转换器电路14，并被D/A转换成模拟信号。模拟信号作为麦克风输出被传送给输出端子15。

方向性函数处理电路13由例如微计算机构成，并与操作键13C连接。当通过操作键13C指定定向方向θ_C和定向范围θ_W时，对应于指定的定向方向θ_C和定向范围θ_W的傅里叶系数a₀-a₃和b₁-b₃被产生，并用在等式(47)中。于是，在处理电路13中，麦克风M0-M8的输出信号提供和指定的定向方向θ_C和定向范围θ_W对应的特性，并被组合成由等式(47)给出的信号。

于是，图15中所示的设备是其定向范围θ_W较窄，并且其定向方向θ_C可变的麦克风设备。此外，根据等式(47)，计算所需的参数只是麦克风M0-M8的输出信号和定义定向特性的值(即，指示定向方向θ_C和定向范围θ_W的值)。即使不知道声波到达的方向，也能够确定方向性。

图16A和17A表示根据本发明的实施例的麦克风设备的方向性的模拟，图16B和17B表示在上面提及的日本未经审查的专利申请公开No.2002-271885中公开的有关技术的麦克风设备的方向性的模拟。从图16A和16B可看出，在主频带中，频率特性基本上是平直的。在图17A和17B中，举例图解说明了在1.5kHz的声波频率下的特性图。

从图16-17B可看出，与有关技术的麦克风设备(图16B和17B中所示的特性)相比，根据本发明的实施例的麦克风设备(图16A和17A中所示的特性)作为单向麦克风提供更好的方向性。特别地，在θ＜-60°或θ＞60°的范围中，来自对应方向的声波被显著抑制。

方向性函数处理电路的操作的细节

方向性函数处理电路13执行图18中所示的例程，从而完成等式(47)给出的处理。在本实施例中，一帧语音信号包括2048个样本。

例程100开始于步骤101。在步骤102中，输入麦克风M0-M8的输出信号，即，从A/D转换器电路12输出的语音数据，它们对应于一个样本的9通道数据。在步骤103中，计算等式(47)中的带括号表达式中的和与差。例如，在等式(47)的第三行的项(即，对应于等式(10)的项)中，计算表达式{xM₃(t)-xM₅(t)}。

在步骤111中，确定是否已进行一帧周期的步骤102和103的处理，如果否，那么例程100返回步骤102。

如果已进行一帧周期的步骤102和103的处理，那么例程100从步骤111进行到步骤112。在步骤112中，通过进行快速傅里叶变换(FFT)，把在步骤103中确定的计算结果转换成频域数据。在步骤113中，等式(47)中的带括号表达式的系数被进行相位变换。例如，在等式(47)的第三行中的项(即，对应于等式(10)的项)中，表达式{x_M3(t)-x_M5(t)}的系数为c/(2jωd)，计算值c/(2ωd)，并将其转换成虚部的值。

在步骤114中，对应于所需方向性的傅里叶系数a₀-a₃和b₁-b₃被乘以在步骤103和113中确定的值，计算傅里叶级数和，从而确定等式(47)给出的值。在步骤115中，对确定的值进行反向快速傅里叶变换(IFFT)处理，并将其转换成时域数据。

在步骤121中，逐个样本地持续一个样本的每个周期，把在步骤115中转换的数据提供给D/A转换器电路14。在步骤122中，确定是否已进行一帧周期的步骤121的处理，如果否，那么例程100返回步骤121。

如果已进行一帧周期的步骤121的处理，那么例程从步骤122进行到步骤123。在步骤123中，结束一帧周期的处理。

根据例程100，进行由等式(47)给出的处理。在例程100中，在步骤112中进行FFT之前，在步骤103中对每个样本计算带括号表达式中的值。于是，处理能够正确并且平稳地进行。

确定cos2θ的另一种方法

图19-20C表示确定cos2θ的另一种方法。具体地产，cos2θ可被修改成如图19中所示的等式(48)给出的那样。如果角度θ和满足由图19的等式(49)给出的关系，那么等式(48)等同于图19中所示的等式(50)。

如图20A和20B中所示，在沿入射角θ降低的方向，相对于基准麦克风M4把麦克风M0、M2、M6和M8旋转45°(＝-θ)的位置，设置虚拟麦克风V0、V2、V6和V8。这种情况下，按照等式(49)给出的关系，声波相对于虚拟麦克风V0、V2、V6和V8的入射角等于角度。

入射角为的声波与虚拟麦克风V0、V2、V6和V8的输出信号之间的关系等同于入射角为θ的声波与麦克风M0、M2、M6和M8的输出信号之间的关系。从而，虚拟麦克风V0、V2、V6和V8的输出信号由与等式(29)(图19中也表示了等式(29))类似的程序处理，从而产生由图19中所示的等式(51)给出的信号。

如图20C中所示，虚拟麦克风V0、V2、V6和V8的位置被朝着基准麦克风M4移动，以便分别位于麦克风M3、M1、M7和M5的位置。这种情况下，虚拟麦克风V0、V2、V6和V8的输出信号分别等同于麦克风M3、M1、M7和M5的输出信号。虚拟麦克风V0、V2、V6和V8之间的距离具有图20B中2d的值；而在图20C中，该差值的值为√2·d。于是，就图20C来说，等式(51)被改变成图19中所示的等式(52)。

把等式(50)代入等式(52)中得到图19中所示的等式(53)。于是能够利用等式(53)计算等式(47)。

其它实施例

例如在等式(10)中，在带括号表达式中获得麦克风M3的输出信号与麦克风M5的输出信号之间的差信号。当麦克风M0-M8之间的距离d较小时，如果输入声波的频率较低，那么输入麦克风M3的声波与输入麦克风M5的声波之间的差异较小，在等式(10)中获得的差信号的电平变低。

当距离d较大时，如果输入声波的频率较高，那么输入麦克风M3的声波与输入麦克风M5的声波之间的路径长度差为1个波长或者更大，等式(10)给出的处理不合适。

这同样适用于麦克风M0-M8的输出信号的差信号或和信号，导致等式(47)中算术精度较低。于是，难以获得理想的方向性。

在这种情况下，使用两个麦克风阵列10。麦克风阵列之一与另一麦克风阵列在麦克风间的距离d方面不同，并且共用布置在中心的基准麦克风。语音信号的低频分量抽取自麦克风之间距离较大的麦克风阵列，语音信号的高频分量抽取自麦克风之间距离较小的麦克风阵列。对通过把抽取的分量相加而获得的信号进行由等式(47)给出的处理，从而在宽的频带内获得高的方向性。

在上面描述的麦克风设备中，难以抑制从与目标声波相同方向到达的噪声。这种情况下，例如，方向性函数处理电路13的输出信号被自适应处理，以抑制噪声信号。于是，在噪声包含在视频会议或类似场合中的发言人的讲话中的情况下，噪声可被抑制，从而获得清楚的语音信号。

此外，首先能够探测声源的方向，随后能够按照探测的方向再次设置定向方向θ_C和定向范围θ_W，从而强调目标信号或抑制不必要的信号。即，方向性函数可被设置成以致特定方向上的声音可被拾取或者不可被拾取。另一方面，多个麦克风阵列10可被安排在相同的平面上，以致麦克风阵列10的定向方向指向特定点，从而强调来自位于特定点的声源的声音。

此外，通过把定向方向设置成目标声音方向和噪声声音方向，并从目标声音方向的信号中减去噪声声音方向的信号，能够拾取更清楚的目标声音。还可预测和消除与定向方向无关地输入的声波，例如来自垂直方向的噪声。

此外，可以使用具有诸如回波抵消器之类功能的麦克风阵列。这种情况下，回波抵消器的冲激响应被单独获悉，作为例如5°步长定向方向上具有单独方向性的阵列输出的信息，从而快速消除在使麦克风对准的方向上的语音的回波。另一方面，回波抵消器的冲激响应可被单独获悉，作为例如8个方向上的信息，这8个方向中，与将要使麦克风对准的方向接近的方向上的冲激响应可被用作初始值。这种情况下，与从完全初始的值开始的计算相比，能够减少算术运算的总量，并且能够减少残余回波。

本领域的技术人员应理解根据设计要求和其它因素，可产生各种修改，组合，子组合和变更，只要它们在附加权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (6)

1、一种处理和输出包括至少9个麦克风的麦克风阵列的输出信号的麦克风设备，所述麦克风设备包括：

把麦克风阵列的输出信号转换成单向信号，并输出所述单向信号的方向性函数处理电路，

其中方向性函数处理电路把其变量为声波的入射角的方向性函数展开成一直到至少第三阶的傅里叶级数，和

从形成麦克风阵列的麦克风的输出信号，产生展开表达式中的变量。

2、按照权利要求1所述的麦克风设备，其中形成麦克风阵列的麦克风是非定向的。

3、按照权利要求1所述的麦克风设备，其中麦克风阵列被配置成以致麦克风被排列成同一平面中的三行三列的阵列。

4、按照权利要求3所述的麦克风设备，其中在形成麦克风阵列的麦克风中，位于中心的麦克风构成基准麦克风，

基准麦克风的输出信号和剩余麦克风的输出信号被组合，以获得单向信号。

5、按照权利要求1所述的麦克风设备，其中方向性函数处理电路进行逐个样本地计算形成麦克风阵列的麦克风的输出信号的操作，持续一帧的每个周期来对计算的输出信号进行快速傅里叶变换的操作，对快速傅里叶变换的结果进行相位处理并计算傅里叶级数和的操作，以及对计算的和进行反向快速傅里叶变换并输出每个样本的输出信号的操作。

6、一种处理和输出包括至少9个麦克风的麦克风阵列的输出信号的语音信号转换方法，所述语音信号转换方法包括下述步骤：

把麦克风阵列的输出信号转换成单向信号；

把其变量为声波的入射角的方向性函数展开成一直到至少第三阶的傅里叶级数；和

从形成麦克风阵列的麦克风的输出信号，产生展开表达式中的变量。

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