CN202799044U

CN202799044U - 球麦克风阵列语音采集装置

Info

Publication number: CN202799044U
Application number: CN 201220480577
Authority: CN
Inventors: 王冬霞; 郭庆龙; 吴涛
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-09-20

Abstract

一种球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体、固定在承载球体上的麦克风阵列、支撑承载球体并内置麦克风连接线的支架，其特殊之处是：所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风。其阵列冗余度小，计算量小，简单实用，可精确确定麦克风在球面上的位置，不会产生位置误差，具有良好的分辨性能，所需阵元数与阵列系统性能均衡，实用性强。

Description

球麦克风阵列语音采集装置

技术领域

本发明涉及一种球麦克风阵列语音采集装置。

背景技术

在实际复杂的声学环境下，麦克风拾取的语音信号不可避免地会受到房间混响、噪声以及其他说话人的干扰，即麦克风接收信号为带噪语音，这样不仅影响语音质量，还会使许多语音处理系统的性能急剧恶化。因此，需要对麦克风拾取的语音信号进行有效的噪声抑制，减小干扰因素对语音信号的影响，以增强语音信号质量，有效地改善语音处理系统的性能。与单麦克风相比，麦克风阵列融合了语音信号的空时信息，具有灵活的波束控制、较高的空间分辨率、较高的信号增益与较强的抗干扰能力等特点，已成为智能通信系统中捕捉说话人语音、改善语音质量的重要手段。目前，麦克风阵列技术已广泛应用于车载语音系统、语音识别系统、助听器和视频会议等各种语音通信领域中。

常见麦克风阵列的拓扑结构主要包括线性阵列、平面阵列和球形阵列。在以上三种阵列形式中，球麦克风阵列（由多个麦克风按照不同的分布情况布置于同一个球面上）物理结构上具有全向旋转对称性，且当空间信号源进行任意方向的旋转移动时，不影响阵列的整体输出，所以能够更好地应用于三维空间波束形成、声源定位、噪声控制以及声场空间特性分析等领域。

实际应用球麦克风阵列进行声源信号采集时，不可能使用大量麦克风覆盖整个球面。因此，需要选择有限数目的麦克风以一定方式对声源信号进行采样。空间采样和时域采样相似，为避免空间信号发生混叠，需要满足有限的带宽（有限的谐波阶数N）。球面空间采样主要有三种形式，分别为等角度采样、高斯采样和均匀采样。其中，等角度采样需要不少于4(N+1)²个采样点，采样点具有规则的角度差异，这种采样需要大量的采样点，实现起来非常困难；高斯采样需要的采样点数至少为2(N+1)²个，同时存在很大的阵列冗余；均匀采样令每两个采样点之间的距离均相等，要求采样点至少为(N+1)²个。与前两种采样方式相比，当麦克风阵列采用均匀采样时，所需采样点麦克风最少，实现起来最方便，应用也比较广泛。

当采用均匀采样时，如果阵列阶数较小，采样点过少，则阵列系统的分辨性能较差；若阵列阶数较大，阵列系统的分辨性能虽然有所提高，但由于所需麦克风数目过多，带来设计方面的复杂性，麦克风在球面的位置难以确定，容易产生位置误差，同时对数据采集设备的硬件配置要求过高，难以实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种阵列冗余度小，设计、计算简单，同时可精确确定麦克风在球面上的位置，不会产生位置误差的球麦克风阵列语音采集装置。

本发明的技术方案是：

一种球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体、固定在承载球体上的麦克风阵列、支撑承载球体并内置麦克风连接线的支架，其特殊之处是：所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风。

所述承载球体的半径r=0.05m~0.5m。

所述支架由插装在一起的上、下支架组成，所述上、下支架的连接处设有控制阀，以自由调节承载球体的高度，方便语音信息采集。

本发明的有益效果是：

1、由于选用具有20个阵元的球麦克风阵列,根据均匀采样方案可知,此时球麦克风阵列的阶数N可取1、2、3，其阵列冗余度小，计算量小，简单实用，具有良好的分辨性能，所需阵元数与阵列系统性能均衡，实用性强。

2、均匀分布的20个阵元构成特殊的几何体--正十二面体，由于正十二面体具有独特的几何特性，是由12个正五边形所组成的正多面体，所以可以精确确定各顶点的位置，不会产生位置误差，形成严谨的空间旋转对称性,有效采集信号空间信息。以正十二面体的中心坐标为(0,0,0)为例，各阵元所在顶点的坐标为{

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE001

,

,

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE003

,

}，其中

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE005

(黄金分割数)，根据空间坐标可以确定各阵元的角度位置，进而确定其在承载球面上分布的准确位置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的麦克风阵元的分布示意图。

图中：麦克风1、承载球体2、上支架3、控制阀4、下支架5。

具体实施方式

如图1所示，该球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体2、固定在承载球体2上的麦克风阵列、支撑承载球体2并布置麦克风连接线的支架。所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风1，即麦克风1数目为M=20，完成接收空间语音信号的任务。承载球体2由钢质材料制成，主要用来安放麦克风1并形成球面的刚性反射。所述支架由插装在一起的上、下支架3、5组成，所述上、下支架3、5的连接处设有控制阀4，以自由调节承载球体2的高度，进而自由调节麦克风阵列的高度，方便语音信息采集。

该球麦克风阵列的设计方法是：

1、根据近场声学环境要求，阵列半径r（承载球体的半径）需满足

r ≈ N / k _max，

式中N为阵列阶数，k = ω/c为来波语音源信号波数，ω为来波语音源角频率，c为声音在空气中的传播速度，k _max为最大波数值，由语音信号频率决定。根据均匀分布采样定理，这里最大N值取3，根据语音信号的频率可知，k _max的取值范围可以为6~60，由此可得承载球体的半径范围为0.05m~0.5m。本实施例中，r取值0.1m。

2、以承载球体2的球心为原点，建立空间直角坐标系，由正十二面体特性计算各顶点的精确位置，各顶点坐标（x\y\z）如下：

；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE007

；

；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE009

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；；；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE013

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；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE015

；；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE017

；

；；

；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE021

；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE023

；

；

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE025

其中

。

3、由上述20个顶点坐标位置可以确定麦克风在球面安置位置，并根据三角函数关系

，

Figure 2012204805773100002DEST_PATH_IMAGE027

求得相应的方向角度坐标，如表1所示（俯仰角θ和方位角φ），即得到了均匀分布的20个阵元的球麦克风阵列,参照图2。

表1