CN207835712U - 一种阵列麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阵列麦克风，包括壳体、防尘透音网、声传感器阵列与音频电路板，音频电路板将声传感器阵列得到的声音信号采集并进行处理之后传输给后端设备；声传感器阵列以阵列方式一字排列的多个单指向性传感器；音频电路板包括多个滤波网络、信号处理器和放大器，其中滤波网络用于提取被平稳噪声所污染的信号；滤波网络包括维纳滤波器；壳体的正面和背面均开有透音孔。本实用新型采用维纳滤波器提取被平稳噪声所污染的信号，能够最大限度的排除干扰信号，麦克风壳体的正面和背面开设透音孔，进一步增强阵列话筒的指向性；一字排列的多个单指向性传感器尽可能的扩大收音范围，达到远距离拾音的效果。

Description

一种阵列麦克风

技术领域

本实用新型涉及通信系统技术领域，尤其涉及一种阵列麦克风。

背景技术

随着社会和经济的不断发展，人们之间进行的室内会议和远程式会议的交流越来越频繁，其麦克风主要是鹅颈式麦克风，鹅颈式会麦克风存在很难保证人声范围并且拾音区域窄的问题，其对与会人员活动位置和话筒的相对位置要求较高，会议话筒的扩音效果不好，抗干扰能力差，话筒的指向性也较弱，从而影响了会议的正常进行。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提出一种能够最大限度的排除干扰信号的阵列麦克风，通过采用维纳滤波器提取被平稳噪声所污染的信号，从而能够最大限度的排除干扰信号。

本实用新型的另一个目的是提出一种能够更好的拾取声音的阵列麦克风，通过在麦克风的壳体的正面和背面开设透音孔，从而进一步增强阵列话筒的指向性。

本实用新型的又一个目的是提出一种具有定向拾音特性和增大的拾音范围的阵列麦克风，通过将多个单指向性传感器以阵列方式一字排列以使得拾音范围呈走廊型指向性；这样可以尽可能的扩大收音范围，达到远距离拾音的效果。

本实用新型的再一个目的是提出一种能够保证人声范围的阵列麦克风，提升阵列麦克风的低频响应，同时抑制阵列麦克风的高频响应，通过将阵列中部的多个单指向性传感器以间隔D₁等间隔地排布，将阵列左右两侧的多个单指向性传感器均以间隔D₂等间隔地排布，其中D₂大于D₁，从而得到性能良好的阵列麦克风。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种阵列麦克风，包括壳体、防尘透音网、声传感器阵列与音频电路板，所述音频电路板将所述声传感器阵列得到的声音信号采集并进行处理之后传输给后端设备；

其中，所述声传感器阵列包括多个单指向性传感器，并且所述多个单指向性传感器以阵列方式一字排列以使得拾音范围呈走廊型指向性；

所述音频电路板包括多个滤波网络、信号处理器和放大器；其中所述滤波网络包括维纳滤波器，用于提取被平稳噪声所污染的信号；

所述壳体的正面和背面均开有透音孔，并且所述正面的透音孔与背面的透音孔对称设置。

进一步的，所述信号处理器包括信号补偿器、信号加权器、求和器和延时估计器，所述滤波网络将输出的声音信号分别传输给所述信号补偿器和所述延时估计器，所述延时估计器将延时信号传输给信号补偿器，经过所述信号补偿器补偿后的声音信号通过所述信号加权器加权处理，所述求和器对加权处理后的声音信号进行求和，将求和后的声音信号传输给所述放大器。

进一步的，所述信号补偿器包括多个电桥振荡器。

进一步的，位于阵列两侧的单指向性传感器之间的间隔大于位于阵列中部的单指向性传感器之间的间隔。

进一步的，所述多个单指向性传感器分为三组排列，每组包括多个单指向性传感器：第一组位于阵列中部，第二组和第三组分别位于第一组的左右两侧，其中第一组的多个单指向性传感器以间隔D₃等间隔地排布，第二组和第三组的多个单指向性传感器均以间隔D₂等间隔地排布，其中D₂大于D₁。

进一步的，所述第一组单指向性传感器与第二组单指向性传感器之间存在间隔D₃，第一组单指向性传感器与第三组单指向性传感器之间存在间隔D₄，并且D₃和D₄均大于D₁。

进一步的，所述单指向性传感器为电容式压差驻极体传感器。

进一步的，所述声传感器阵列与阵列话筒的水平方向角度为0°～30°。

进一步的，所述声传感器阵列的拾音端紧靠防尘透音网。

进一步的，所述防尘透音网包括外网和内网，所述外网和内网粘接为一体形成防尘透音网。

因此，本实用新型获得的有益效果是：

1、最大限度的排除干扰信号：通过采用包括维纳滤波器的音频电路板，能够提取被平稳噪声所污染的信号，最大限度的排除干扰信号。

2、阵列话筒的指向性更强：通过在麦克风的壳体正面和背面均设置透音孔，并且正面的透音孔与背面的透音孔相对称，设置地对称性的透音孔能够更好地拾取声音信号，这样壳体可以起到透音的作用，从而进一步增强了阵列话筒的指向性。

3、收音范围大：通过将声传感器阵列设置为一字形，这样可以尽可能的扩大收音范围，使得拾音范围呈走廊型指向性，并增加了拾音范围，使得本实用新型的阵列麦克风具有定向拾音功能，同时也达到了远距离拾音的效果。

4、保证人声范围：位于阵列中部的多个单指向性传感器的间隔大于位于阵列左右两侧的多个单指向性传感器，这样保证了人声范围，提升了阵列麦克风的低频响应，同时也抑制了阵列麦克风的高频响应，从而得到性能良好的阵列麦克风。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的系统框图；

图2本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的滤波网络的工作原理图；

图3本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的信号处理器的工作原理图；

图4是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的信号补偿器的基本部分电路图；

图5是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的声传感阵列的走廊型指向性示意图；

图6是本实用新型的一个实施例中的简谐平面波投射到基阵上的二维平面示意图；

图7是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的内部结构示意图；

图8是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的拾音区域图；

图9是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的俯视图；

图10是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的斜视图。

其中，100为壳体；110为开关；200为防尘透音网；300为声传感器阵列；

400为音频电路板；410为滤波网络；411为维纳滤波器；412为参数设计器；420 为信号处理器；421为信号补偿器；422为信号加权器、423为求和器；424为延时估计器；430 为放大器；440为电源；450为静音单元。

具体实施方式

以下描述用于公开本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

图1是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的系统框图，结合图1，一种阵列麦克风，包括壳体100、防尘透音网200、声传感器阵列300与音频电路板400，所述音频电路板400将所述声传感器阵列300得到的声音信号采集并进行处理之后传输给后端设备；所述声传感器阵列300包括多个单指向性传感器，并且所述多个单指向性传感器以阵列方式一字排列以使得拾音范围呈走廊型指向性；

图2是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的滤波网络的工作原理图；参见图 2，所述音频电路板400包括顺次连接的滤波网络410、信号处理器420、放大器430、电源440和静音单元450，所述滤波网络410可以输出多路声音信号，优选地，所述滤波网络410可包括维纳滤波器411和参数设计器412，所述参数设计器412用于调整所述维纳滤波器411的参数；所述电源440用于向所述放大器430供电，所述静音单元450用于设置所述放大器430为静音状态。

上述的维纳滤波器(wiener filtering)是一种基于最小均方误差准则、对平稳过程的最优估计的滤波器。该滤波器的声音信号的输出与期望输出之间的均方误差为最小，可用于提取被平稳噪声所污染的信号。

图3是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的信号处理器的工作原理图；参见图3，所述信号处理器420包括顺次连接的信号补偿器421、信号加权器422、求和器423和延时估计器424，所述滤波网络410将输出的多路声音信号传输给所述信号补偿器421，同时所述滤波网络410也将输出的多路声音信号传输给所述延时估计器424，所述延时估计器424将延时信号传输给信号补偿器421，经过补偿后的声音信号通过所述信号加权器422加权处理，然后所述求和器423对加权处理后的声音信号进行求和，得到最终的声音信号，最后将这一声音信号再传输给所述放大器430。

上述延时估计器424的延时估计可采用经验值，例如通过实验测试得到，测试环境在全消声室进行。

每一路声音信号补偿器421可包括多个电桥振荡器，该电桥振荡器是RC反馈电路振荡器的一种，其使用频率上限例如大约在l MHz，可以应用在人声范围。图4是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的信号补偿器的基本部分电路图；参见图4，电桥振荡器的基本部分是信号相位的超前滞后电路。本实施例中，该电桥振荡器可以是文氏电桥振荡器，也可以是其他能够产生低频信号的电桥振荡器。

将多个电容式压差驻极体传感器以阵列方式一字排列为声传感器阵列，图5是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的声传感阵列的走廊型指向性示意图；参见图5，图中的小环形是每个单指向性传感器的指向性，并且多个单指向性传感器的指向性部分交叉重叠，外部的大环形是整个阵列麦克风的指向性。

这样可以尽可能的扩大收音范围，使得拾音范围呈走廊型指向性，达到远距离拾音的效果。

具体来说，所述声传感器阵列300可包括多个单指向性传感器，并且多个单指向性传感器以阵列方式一字排列以使得拾音范围呈走廊型指向性；为了提升该阵列麦克风的低频响应，抑制阵列麦克风的高频响应，还可以进一步优选为，使得位于阵列两侧的多个单指向性传感器的间隔大于位于阵列中部的多个单指向性传感器的间隔。

下面将结合附图来具体描述利用波束形成方法设置声传感器阵列中的相邻声传感器的间隔的具体方法。

声传感器阵列300按照波束形成方法设计而成，所谓波束形成方法是指将一定几何形状排布的多元基阵的各阵元输出并经过处理形成空间指向性的方法。波束形成器可以滤去某个方位的信号，只让指定方位信号通过，因此波束形成器可以看做是空间滤波器。

图6是本实用新型的一个实施例中的简谐平面波投射到基阵上的二维平面示意图；参见图6，本实施例中，基阵为由N个传感器组成的等间距线阵列，各个传感器的相邻距离为d，这样各阵元接收的灵敏度相同。在二维平面中，假定简谐平面波以角度θ投射到基阵上，则各阵元输出信号为：

x₀(t)＝Ae-jωt (1)

x₁(t)＝Ae-j(ωt+ψ) (2)

x_(N-1)(t)＝Ae-j(ωt+Nψ) (3)

其中，A为信号幅度，ω为信号角频率，ψ为相邻阵元接收信号间的相位差。

另外，

其中，f是平面波的频率，λ为平面波的波长，τ是为时间常数，c为平面波的速度。

将各路传感器信号相加，得到阵的输出公式为：

进一步简化，得到的公式为：

若θ＝0°时，即信号沿着基阵法向方向射入，其对应的基阵输出为：

y(0,t)＝N*A(8)

将上面的公式(7)除以NA，即将幅值进行归一化，可以得到该基阵的指向性函数为:

当θ＝0°时，D(θ)＝1，说明此时各阵元实现同相相加，表明一个多元阵输出幅度的大小随着信号入射角发生变化。

只要补偿值延时，就可以将波束主瓣指向θ₀方向，其中θ₀称为“引导方位”，可以得到：

公式(9)给出了一个N元等间距线阵的归一化自然指向性函数，由该式可知，当时取得最大值，由此可确定当sinθ＝±mλ/d时， D(θ,θ₀)取得最大值,其中当m＝0时，D(θ,θ₀)为主极大值，当m＝1时，D(θ,θ₀)为左侧第一副极大值；当m＝-1时，D(θ,θ₀)为右侧第一副极大值；

而当sinθ＝±mλ/Nd时,D(θ,θ₀)为零点。显然左侧第一副极大值和右侧第一副极大值之间有N-1个零点，零点间隔为λ/Nd。除了主、副极大之外，还有若干旁瓣或者次极大，在横轴上，旁瓣出现位置为sinθ＝±(m+1/2)λ/Nd。在左侧第一副极大值和右侧第一副极大值之间有N-2个旁瓣。

由上述说明得出，当d/λ>1/2时，θ在(-90°，90°)范围内出现副极大，出现副极大的个数与d/λ的值相关。换言之，要保证θ在(-90°，90°)只出现一个主极大值，不会造成方位模糊或者混淆，就需保证d/λ≤1/2,即d≤λ/2。

图7是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的内部结构示意图；参见图7，本实施例中，该声传感器阵列300可选为由13个电容式压差驻极体传感器组成，并以一字形阵列方式排列，其中该阵列的中部的9个电容式压差驻极体传感器以间距d₁等距离排布，d₁≤10mm，这样保证了在17kHz声音范围内只出现一个主极大值，以此保证了人声范围。在9个电容式压差驻极体传感器的左右两侧各设置有2个电容式压差驻极体传感器，其中d₂略大于d₁,d₂的取值可优选为20mm≤d₂≤30mm；d₃也略大于d₁,d₃的取值也可优选为20mm≤d₃≤30mm；同理,d₄的取值可优选为20mm≤d₄≤30mm，d₅的取值可优选为20mm≤d₅≤30mm；经过实验测试发现，采用本实用新型的这种排列方式，在中间9个电容式压差驻极体传感器的两侧各设置另外两个电容式压差驻极体传感器，并且旁边两个传感器之间的间隔距离比中间9个传感器之间的间隔距离更大，这样可以有效地提升该阵列麦克风的低频响应，同时也抑制了阵列麦克风的高频响应，使得阵列麦克风的声音性能更好。当然，本实用新型的声传感器阵列300也可以选用其他数量的电容式压差驻极体传感器；并且相邻传感器之间的距离也不限于上述列出的取值范围。

图8是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的拾音区域图；参见图8，本实施例中，声传感器阵列300与阵列话筒水平方向的角度优选为0°～30°，这样使得声传感器阵列300的正面(即拾音面)与发言人位置相对，以便声传感器阵列300能够更好的拾取阵列话筒传输的声音信号；但本实用新型的其他实施例中，声传感器阵列300与阵列话筒水平方向的角度也可以选取其他角度值，并不限于此。

声传感器阵列300的话拾音端紧靠防尘透音网200，这样不仅可以有效的接收声音信号而且也能起到防尘作用；优选的，本实施例中的防尘透音网200的外网可选为80目直纹不锈钢网、内网可选为300目黑色腈纶网，将外网和内网粘接为一体形成防尘透音网，以便于更好的接收声音信号并且起到防尘作用；但在本实用新型的其他实施例中，防尘透音网200也可以选取其他能够有效的接收声音信号而且也能起到防尘作用的材料。

另外，麦克风的壳体100主要是起固定和连接作用，即将防尘透音网200、声传感器阵列300与音频电路板400进行固定和连接。这里壳体100可采用型材结构，以便于开模和加工，本实施例中，壳体100的材料可选为铝，但是本实用新型的其他实施例中，也可选用其他材料和结构的型材作为壳体。

图9是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的俯视图；图10是本实用新型的一个实施例的一种阵列麦克风的斜视图。参见图9和图10，本实施中，壳体100的正面设置有开关110，该开关110可以为触摸式开关，也可以设置为按键式开关，用于控制所述阵列麦克风的电源通断。壳体100的正面和背面的上部均开有透音孔，正面的透音孔与背面的透音孔大致对称设置，设置对称性的透音孔能够很好地拾取声音信号，并且可以增强阵列话筒的指向性，这样壳体100可以起到透音的作用；但是本实用新型的其他实施例中的透音孔的开设位置、排列形式和形状并不限于图9和图10中所示出的形式，也可以在壳体100的其他位置开设透音孔，并以其他排列形式、一种或多种形状设置透音孔。

综上所述，本实用新型提出了一种具有定向拾音特性和增大的拾音范围、适于远距离拾音的阵列麦克风，取得的有益效果是：

1、最大限度的排除干扰信号：通过采用包括维纳滤波器的音频电路板，能够提取被平稳噪声所污染的信号，最大限度的排除干扰信号。

2、阵列话筒的指向性更强：通过在麦克风的壳体正面和背面均设置透音孔，并且正面的透音孔与背面的透音孔相对称，设置地对称性的透音孔能够更好地拾取声音信号，这样壳体可以起到透音的作用，从而进一步增强了阵列话筒的指向性。

3、收音范围大：通过将声传感器阵列设置为一字形，这样可以尽可能的扩大收音范围，使得拾音范围呈走廊型指向性，并增加了拾音范围，使得本实用新型的阵列麦克风具有定向拾音功能，同时也达到了远距离拾音的效果。

4、保证人声范围：位于阵列中部的多个单指向性传感器的间隔大于位于阵列左右两侧的多个单指向性传感器，这样保证了人声范围，提升了阵列麦克风的低频响应，同时也抑制了阵列麦克风的高频响应，从而得到性能良好的阵列麦克风。

当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种阵列麦克风，包括壳体(100)、防尘透音网(200)、声传感器阵列(300)与音频电路板(400)，所述音频电路板(400)将所述声传感器阵列(300)得到的声音信号采集并进行处理之后传输给后端设备；

其中，所述声传感器阵列(300)包括多个单指向性传感器，并且所述多个单指向性传感器以阵列方式一字排列以使得拾音范围呈走廊型指向性；

所述音频电路板(400)包括多个滤波网络(410)、信号处理器(420)和放大器(430)；其中所述滤波网络(410)包括维纳滤波器(411)，用于提取被平稳噪声所污染的信号；

所述壳体(100)的正面和背面均开有透音孔，并且所述正面的透音孔与背面的透音孔对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述信号处理器(420)包括信号补偿器(421)、信号加权器(422)、求和器(423)和延时估计器(424)，所述滤波网络(410)将输出的声音信号分别传输给所述信号补偿器(421)和所述延时估计器(424)，所述延时估计器(424)将延时信号传输给信号补偿器(421)，经过所述信号补偿器(421)补偿后的声音信号通过所述信号加权器(422)加权处理，所述求和器(423)对加权处理后的声音信号进行求和，将求和后的声音信号传输给所述放大器(430)。

3.根据权利要求2所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述信号补偿器(421)包括多个电桥振荡器。

4.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，位于阵列两侧的单指向性传感器之间的间隔大于位于阵列中部的单指向性传感器之间的间隔。

5.根据权利要求4所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述多个单指向性传感器分为三组排列，每组包括多个单指向性传感器：第一组位于阵列中部，第二组和第三组分别位于第一组的左右两侧，其中第一组的多个单指向性传感器以间隔D₃等间隔地排布，第二组和第三组的多个单指向性传感器均以间隔D₂等间隔地排布，其中D₂大于D₁。

6.根据权利要求5所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述第一组单指向性传感器与第二组单指向性传感器之间存在间隔D₃，第一组单指向性传感器与第三组单指向性传感器之间存在间隔D₄，并且D₃和D₄均大于D₁。

7.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述单指向性传感器为电容式压差驻极体传感器。

8.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述声传感器阵列(300)与阵列话筒的水平方向角度为0°～30°。

9.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述声传感器阵列(300)的拾音端紧靠防尘透音网(200)。

10.根据权利要求1所述的一种阵列麦克风，其特征在于，所述防尘透音网(200)包括外网和内网，所述外网和内网粘接为一体形成防尘透音网。