CN219999610U - 录音设备和声场重建系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及音频信号采集技术领域，提供一种录音设备和声场重建系统，其中录音设备包括：多组麦克风阵列，各组麦克风阵列的阵列结构为圆形，所述多组麦克风阵列同心布置，且所述各组麦克风阵列对应不同录制上限频率。本实用新型提供的录音设备和声场重建系统，采用呈圆形同心布置的多组麦克风阵列，能够有效采集平面内不同角度方向的音频数据，从而采集到声场的二维高精度信息；同时各组麦克风阵列对应不同录制上限频率，能够匹配不同的精度要求，可以有效提高录音设备的通用性和灵活性，从而降低使用成本。

Description

录音设备和声场重建系统

技术领域

本实用新型涉及音频信号采集技术领域，尤其涉及一种录音设备和声场重建系统。

背景技术

录音设备主要用于采集音频数据，比如歌曲、语音、乐器声、环境声等等。现有的录音方式一般分为两种，一种是常见的单声道或者阵列录音设备，比如录音笔、手机等；另一种为专业的声场录音设备。

常见的录音设备都只为获取声音的有效内容，对声场信息记录不全，因此其录音设备都是为整体产品用途而定制化设计，不具备通用性，存在声音信息获取不完整的问题；而现有的专业录音设备不仅考虑到成本和通用性，而且存在使用灵活性问题，导致声场采集的精度不可调。

实用新型内容

本实用新型提供一种录音设备和声场重建系统，用以解决现有技术中录音设备声音信息获取不完整，通用性和灵活性差，导致声场采集的精度不可调的缺陷。

本实用新型提供一种录音设备，包括：

多组麦克风阵列，各组麦克风阵列的阵列结构为圆形，所述多组麦克风阵列同心布置，且所述各组麦克风阵列对应不同录制上限频率。

根据本实用新型提供的录音设备，所述各组麦克风阵列的阵列半径不同，且所述阵列半径越大的麦克风阵列所包含的阵元数量越多。

根据本实用新型提供的录音设备，所述各组麦克风阵列的阵列半径为2～9cm，所述各组麦克风阵列所包含的阵元数量为4～16个。

根据本实用新型提供的录音设备，所述多组麦克风阵列的组数为2-5组。

根据本实用新型提供的录音设备，所述多组麦克风阵列包括：

第一麦克风阵列，所述第一麦克风阵列的阵列半径为2cm，包含的阵元数量为4个，录制上限频率为2707Hz；

第二组麦克风阵列的阵列半径为5cm，包含的阵元数量为8个，录制上限频率为3248Hz；

第三组麦克风阵列的阵列半径为7cm，包含的阵元数量为12个，录制上限频率为3867Hz；

第四组麦克风阵列的阵列半径为9cm，包含的阵元数量为16个，录制上限频率为4210Hz。

根据本实用新型提供的录音设备，所述多组麦克风阵列共对称轴布置。

本实用新型还提供一种声场重建系统，包括：

如上所述的录音设备，用于采集原始声源信号；

扬声器阵列，用于播放对所述原始声源信号进行声场重建后的播放信号。

根据本实用新型提供的声场重建系统，所述扬声器阵列的阵列结构为圆形。

根据本实用新型提供的声场重建系统，所述原始声源信号是所述录音设备中的任一组麦克风阵列采集得到的，所述扬声器阵列包含的阵元数量大于等于所述任一组麦克风阵列包含的阵元数量。

根据本实用新型提供的声场重建系统，所述扬声器阵列包含的各个扬声器型号相同。

本实用新型提供的录音设备和声场重建系统，通过采用呈圆形同心布置的多组麦克风阵列，能够有效采集平面内不同角度方向的音频数据，从而采集到声场的二维高精度信息；同时各组麦克风阵列对应不同录制上限频率，能够匹配不同的精度要求，可以有效提高录音设备的通用性和灵活性，从而降低使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的录音设备的结构示意图；

图2是本实用新型提供的声场重建系统的结构示意图；

图3是本实用新型提供的扬声器阵列的结构示意图。

附图标记：

110：A组麦克风阵列；120：B组麦克风阵列；130：C组麦克风阵列；

1：录音设备；2：扬声器阵列。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

相关技术中录音方式一般分为两种，一种是常见的单声道或者阵列录音设备，比如录音笔、手机等；另一种为专业的声场录音设备。

常见的录音设备都只为获取声音的有效内容，对声场信息记录不全，因此其录音设备都是为整体产品用途而定制化设计，不具备通用性，存在声音信息获取不完整的问题；而现有的专业录音设备不仅考虑到成本和通用性，而且存在使用灵活性问题，导致声场采集的精度不可调。

针对上述问题，本实用新型提供一种录音设备。图1是本实用新型提供的录音设备的结构示意图之一，如图1所示，该录音设备包括：

多组麦克风阵列，各组麦克风阵列的阵列结构为圆形，多组麦克风阵列同心布置，且各组麦克风阵列对应不同录制上限频率。

具体地，麦克风阵列是指若干个麦克风元件按一定的形状和规则分布而形成的阵列，用于对声场的空间特性进行采样并处理。

考虑到现有的录音设备通用性和灵活性较差，比如麦克风阵列个数或者结构不可调，最终导致声场采集的精度不可调，本实用新型提供的录音设备包括多组麦克风阵列。

其中，每一组麦克风阵列的阵列结构为圆形，即每一组麦克风阵列中包含的若干个麦克风元件呈圆形阵列布置。该若干个麦克风排列在同一平面内，用于采集不同方向的音频数据。且呈圆形阵列方式均匀排列，能够有效采集该平面内不同角度方向的音频数据，从而采集到声场的二维高精度信息。

多组麦克风阵列同心布置可理解为该录音设备的特点是围绕阵列中心布置多圈麦克风，每一圈麦克风均匀排列，每一圈麦克风形成一组麦克风阵列。需说明的是，此处的阵列中心可以是二维平面的任意位置，本实用新型对此不作具体限定。

此处，针对麦克风阵列的组数不作具体限定，可以是大于等于2的任意正整数，比如2组、5组、8组等等，可根据需要灵活选择。示例性的，参照图1，可包括3组麦克风阵列，分别是A组麦克风阵列110，B组麦克风阵列120和C组麦克风阵列130。其中，A组麦克风阵列110可包括4个麦克风阵元，B组麦克风阵列120包括8个麦克风阵元，C组麦克风阵列130包括16个麦克风阵元。

需说明的是，各组麦克风阵列的阵列半径和阵元数量可根据实际录制的精度要求进行设计，其中各组麦克风阵列的阵列半径以及麦克风阵元个数决定了各组麦克风阵列准确录制声场的上限频率f_h，超过此频率上限的声音信息准确性将下降。

由于各组麦克风阵列对应不同录制上限频率，采用该录音设备，每次录音会同时获取多组麦克风阵列采集的音频数据，在后续的音频处理过程中，可根据实际录音的频率上限要求选择相对应的一组麦克风阵列采集的音频数据即可。

本实用新型提供的录音设备，采用呈圆形同心布置的多组麦克风阵列，能够有效采集平面内不同角度方向的音频数据，从而采集到声场的二维高精度信息；同时各组麦克风阵列对应不同录制上限频率，能够匹配不同的精度要求，可以有效提高录音设备的通用性和灵活性，从而降低使用成本。

需说明的是，该多组麦克风阵列可以是共对称轴布置，也可以是不共对称轴布置，本实施例对此不作具体限定。如图1所示，该三组麦克风阵列共对称轴布置，对称轴可以是通过阵列中心的水平方向、垂直方向、45度方向或135度方向的直线。

可理解的是，将B组麦克风阵列120中各个麦克风绕垂直对称轴旋转一定角度，比如20度或30度等，则旋转后的B组麦克风阵列120与A组麦克风阵列110不共对称轴布置。

基于上述实施例，各组麦克风阵列的阵列半径不同，且阵列半径越大的麦克风阵列所包含的阵元数量越多。

具体地，每一组麦克风阵列的麦克风阵元个数以及阵列半径可根据实际录制的精度要求进行设计。比如，阵列半径r_mic、阵元个数为n的任一组麦克风阵列，其准确录制声场的频率上限f_h满足如下公式：

式中，Q为该组麦克风阵列的最大阶数，n为该组麦克风阵列的阵元数量，floor()为向下取整，c表示声速，r_mic表示该组麦克风阵列的阵列半径。

由于该多组麦克风阵列呈同心圆形阵列布置，其中各组麦克风阵列的阵列半径不同。越靠近阵列中心的一组麦克风阵列，其阵列半径越小；越远离阵列中心的一组麦克风阵列，其阵列半径越大。

此外，实际设计时阵列半径与阵元数量呈正相关，阵列半径越大的麦克风阵列所包含的阵元数量越多，越能够采集到声场的二维高精度信息。

进一步地，各组麦克风阵列所包含的阵元数量可以根据该组麦克风阵列

基于上述实施例，各组麦克风阵列的阵列半径为2～9cm，各组麦克风阵列所包含的阵元数量为4～16个。

具体地，根据上述公式的设计原则，该各组麦克风阵列的阵列半径可根据麦克风阵列的阶数和录制上限频率计算得到，其中阶数可根据各组麦克风阵列的阵元数量确定。

本实施例中，该录音设备包括的多组麦克风阵列能实现1至7阶麦克风阵列，接近4000Hz的上限频率精度。通常情况下，麦克风阵列的阶数越高，其对应的录音精度越高。

在此精度要求下，各组麦克风阵列的阵列半径为2～9cm，比如阵列半径可以是2cm、3cm、3.5cm、5cm、6cm、6.5cm、7cm、9cm等等。

同时考虑到阵列半径越大的麦克风阵列所包含的阵元数量越多，各组麦克风阵列所包含的阵元数量可以为4～16个。比如，阵列半径为2cm的麦克风阵列包含的阵元数量可以为4个，阵列半径为9cm的麦克风阵列包含的阵元数量可以为16个，在此不一一列举。

基于上述实施例，多组麦克风阵列的组数为2-5组。

优选地，考虑到在实际应用时，麦克风阵列装置相对固定，不易调整，为了实现一套录音设备能够匹配不同的声场录制精度要求，可设置多组麦克风阵列。同时，为了合理控制成本、简化电路结构，经过大量实验研究，该多组麦克风阵列的组数为2-5组时，即可满足大多数场景下的声音录制精度要求。

优选地，该多组麦克风阵列的组数为3-4组，即该录音设备可以包括3组麦克风阵列，或者该录音设备可以包括4组麦克风阵列。

基于上述实施例，多组麦克风阵列包括：

第一组麦克风阵列，第一组麦克风阵列的阵列半径为2cm，包含的阵元数量为4个，录制上限频率为2707Hz；

第二组麦克风阵列，第二组麦克风阵列的阵列半径为5cm，包含的阵元数量为8个，录制上限频率为3248Hz；

第三组麦克风阵列，第三组麦克风阵列的阵列半径为7cm，包含的阵元数量为12个，录制上限频率为3867Hz；

第四组麦克风阵列，第四组麦克风阵列的阵列半径为9cm，包含的阵元数量为16个，录制上限频率为4210Hz。

具体地，在该录音设备包括4组麦克风阵列的情况下，该4组麦克风阵列呈圆形同心布置，每一组阵列对应不同的频率上限精度要求，每次录音会同时获取该4组阵列的音频数据，实际应用中可根据频率上限要求选择对应组数的阵列数据即可。

比如，实际应用时要求录制上限频率为3200Hz左右时，可选择该录音设备中第二组麦克风阵列采集的音频数据，以进行后续音频处理；当要求录制的上限频率在4000Hz左右时，可选择该录音设备中第四组麦克风阵列采集的音频数据，以进行后续音频处理。

需要说明的是，第一组麦克风阵列包含的阵元数量为4个，其阶数为一阶；第二组麦克风阵列包含的阵元数量为8个，其阶数为三阶；第三组麦克风阵列包含的阵元数量为12个，其阶数为五阶；第四组麦克风阵列包含的阵元数量为16个，其阶数为七阶。

基于上述实施例，多组麦克风阵列共对称轴布置。

具体地，考虑到各组麦克风阵列对应的不同录制精度是针对同一二维平面而言，在布置该多组麦克风阵列时，该多组麦克风阵列共对称轴布置，对称轴可以是通过阵列中心的任意直线。

优选地，如图1所示包括3组麦克风阵列，该3组麦克风阵列共对称轴布置，对称轴可以是通过阵列中心的水平方向、垂直方向、45度方向或135度方向的直线。

基于上述实施例，图2是本实用新型提供的声场重建系统的结构示意图，如图2所示，声场重建系统包括：

如上所述的录音设备1，用于采集原始声源信号；

扬声器阵列2，用于播放对原始声源信号进行声场重建后的播放信号。

具体地，声场重建是指在实验室环境下再现实际场景音频，使得实验室环境下重建出的音频声场与目标场景声场一致，衡量指标包含声源方位、音频频谱、音频声压级大小等。

声场重建系统可包括录音设备和扬声器阵列，其中录音设备用于采集原始声源信号，扬声器阵列用于播放对原始声源信号进行声场重建后的播放信号。

对原始声源信号进行声场重建，可通过处理器实现。处理器获取到录音设备采集的原始声源信号之后，将采集到的原始声源信号进行编、解码处理。

信号编码主要是将麦克风阵列采集到的原始声源信号进行环谐分解，将原始声源信号分解到环谐分量的各个维度上，得到多个环谐分量。环谐分量的数量与麦克风阵列的阶数正相关，麦克风阵列的阶数越大，则分解得到环谐分量的数量越多；反之，麦克风阵列的阶数越小，则分解得到环谐分量的数量越少。

随即，处理器将环谐分解得到的多个环谐分量进行信号合成，重新合成新的信号，即信号解码。重新合成的信号可作为重建区域下扬声器阵列的各个扬声器的播放信号。

需说明的是，用于采集原始声源信号的录音设备和用于声场重建的扬声器阵列可以是相互独立的，即录音和重建互不影响，只需按照声场重建的精度要求从多组麦克风阵列中选取相应的麦克风阵列，以及布置扬声器阵列即可，从而可以提高声场重建的精确性。

本实用新型提供的声场重建系统，通过包括多组麦克风阵列的录音设备采集原始声源信号，通过扬声器阵列播放对原始声源信号进行声场重建后的播放信号，能够匹配不同的声场重建精度要求，灵活性高，成本低。且采用圆形麦克风阵列，对原始声源信号进行编、解码处理的声场重建过程简单高效，通用性强。

基于上述实施例，图3是本实用新型提供的扬声器阵列的结构示意图，如图3所示，扬声器阵列的阵列结构为圆形。

具体地，为了进一步提高声场重建的精度，在布置扬声器阵列时，扬声器阵列的阵列结构可以与麦克风阵列的阵列结构相同，即都呈圆形布置。

基于上述实施例，原始声源信号是录音设备中的任一组麦克风阵列采集得到的，扬声器阵列包含的阵元数量大于等于该组麦克风阵列包含的阵元数量。

具体地，为了匹配声场重建的精度要求，可从录音设备包括的多组麦克风阵列中选取与精度要求相匹配的麦克风阵列进行原始声源信号的采集。

在此基础上，设计合理的扬声器阵列。扬声器阵列包含的阵元数量大于等于该组麦克风阵列包含的阵元数量。

扬声器阵列的阵元数量满足如下公式：

M≥2Q+1

式中，M表示扬声器阵列的阵元数量，Q表示该组麦克风阵列的阶数，n表示该组麦克风阵列的阵元数量。

扬声器阵列的阵列半径满足如下公式：

式中，r_E表示扬声器阵列的阵列半径，f_h表示声场重建的频率上限。

基于上述实施例，扬声器阵列包含的各个扬声器型号相同。

具体地，在声场重建时，可在自由场环境中(比如全消声室)进行，将M个扬声器按半径r_E呈圆形阵列结构均匀布置。其中，扬声器阵列包含的各个扬声器的一致性较好，型号相同，并且频响尽量平坦。需说明的是，针对频响曲线不满足要求的扬声器，可设计滤波器进行扬声器均衡，以保证各个扬声器的一致性较好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种录音设备，其特征在于，包括：

多组麦克风阵列，各组麦克风阵列的阵列结构为圆形，所述多组麦克风阵列同心布置，且所述各组麦克风阵列对应不同录制上限频率。

2.根据权利要求1所述的录音设备，其特征在于，所述各组麦克风阵列的阵列半径不同，且所述阵列半径越大的麦克风阵列所包含的阵元数量越多。

3.根据权利要求2所述的录音设备，其特征在于，所述各组麦克风阵列的阵列半径为2～9cm，所述各组麦克风阵列所包含的阵元数量为4～16个。

4.根据权利要求1所述的录音设备，其特征在于，所述多组麦克风阵列的组数为2-5组。

5.根据权利要求1至4任一项所述的录音设备，其特征在于，所述多组麦克风阵列包括：

第一组麦克风阵列，所述第一组麦克风阵列的阵列半径为2cm，包含的阵元数量为4个，录制上限频率为2707Hz；

第二组麦克风阵列，所述第二组麦克风阵列的阵列半径为5cm，包含的阵元数量为8个，录制上限频率为3248Hz；

第三组麦克风阵列，所述第三组麦克风阵列的阵列半径为7cm，包含的阵元数量为12个，录制上限频率为3867Hz；

第四组麦克风阵列，所述第四组麦克风阵列的阵列半径为9cm，包含的阵元数量为16个，录制上限频率为4210Hz。

6.根据权利要求1至4任一项所述的录音设备，其特征在于，所述多组麦克风阵列共对称轴布置。

7.一种声场重建系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至6中任一项所述的录音设备，用于采集原始声源信号；

扬声器阵列，用于播放对所述原始声源信号进行声场重建后的播放信号。

8.根据权利要求7所述的声场重建系统，其特征在于，所述扬声器阵列的阵列结构为圆形。

9.根据权利要求8所述的声场重建系统，其特征在于，所述原始声源信号是所述录音设备中的任一组麦克风阵列采集得到的，所述扬声器阵列包含的阵元数量大于等于所述任一组麦克风阵列包含的阵元数量。

10.根据权利要求8所述的声场重建系统，其特征在于，所述扬声器阵列包含的各个扬声器型号相同。