TWI450602B - 微型電子式獵槍麥克風 - Google Patents

Description

微型電子式獵槍麥克風

本發明為有關一種麥克風，尤指一種具指向性的微型電子式麥克風。

在各種需要專業收音的場合，例如新聞的採訪、運動比賽的播報、戶外的拍片或是錄影等，由於在上述的情況下，環境中會具有許多的雜音，由四面八方出現，如果使用一般的麥克風進行收音，將會收到許多不必要的雜訊，而無法清晰的收到所欲接收的聲音內容，因此，具有指向性的獵槍式麥克風，常被廣泛的使用於此，用以接收特定方向的聲音，避免其他方向之雜音的干擾。

習知的獵槍式麥克風如美國專利公開第20110305359號所述，主要包含有一收音管、一連接件以及一麥克風單元，該收音管與該麥克風單元之間藉由該連接件而連接。此種獵槍式麥克風為利用該收音管進行收音方向的限定，另外，還可利用一可繞性的多孔材質形成該收音管，令該收音管具有伸縮性，藉以調整該麥克風單元與該收音管前端的距離，調整麥克風單元的收音結果。

然而，上述的該獵槍式麥克風，由於需藉由該收音管進行收音方向的限定，而該收音管通常具有一遠大於該麥克風單元的體積，使得此種獵槍式麥克風體積龐大，並不方便攜帶，且在使用上容易受到環境的限制，因此有改善的必要。

本發明的主要目的，在於解決習知的獵槍式麥克風，由於體積龐大並不方便攜帶，而在使用上容易受到環境限制的問題。

為達上述目的，本發明提供一種微型電子式獵槍麥克風，用以接收一指定方向的聲源，包含有一收音部、一類比轉數位 單元以及一數位訊號處理器。該收音部包括一第一收音單元、一與該第一收音單元相距一第一間距D1的第二收音單元以及一與該第二收音單元相距一第二間距D2的第三收音單元，該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元各別接收該聲源，並各輸出一類比訊號；該類比轉數位單元與該收音部電性連接，並接收該類比訊號而轉換成一第一數位訊號、一第二數位訊號以及一第三數位訊號；以及該數位訊號處理器與該類比轉數位單元電性連接，該數位訊號處理器將該第一數位訊號、該第二數位訊號以及該第三數位訊號轉換成一指向數位音訊。

其中，該第一間距D1大於該第二間距D2而使該收音部具有一大於以下式表達頻率f的最大收音頻率：

其中，c為聲速。

綜上所述，本發明藉由該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元的設置，還有該第一間距D1大於該第二間距D2的設計，不僅使該微型電子式獵槍麥克風具有微型化的體積以及指向收音的效果，更使該收音部具有該最大收音頻率，可增加收音時的頻率上限，減少旁瓣輻射(Grating lobes)及空間混疊(Spatial aliasing)的產生。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱『圖1』及『圖2』所示，『圖1』為本發明一實施例的結構配置示意圖，『圖2』為本發明一實施例的收音單元設置示意圖，如圖所示：本發明為一種微型電子式獵槍麥克風， 用以接收一指定方向的聲源60，包含有一收音部10、一低通濾波器40、一類比轉數位單元20以及一數位訊號處理器30。該收音部10包括以微機電製程製作的一第一收音單元11、一第二收音單元12以及一第三收音單元13，該第一收音單元11與該第二收音單元12相距一第一間距D1，該第二收音單元12與該第二收音單元12相距一第二間距D2，且該第一間距D1大於該第二間距D2而與該第二間距D2相異，在此實施例中，該第二收音單元12設置於該第一收音單元11與該第三收音單元13之間，並呈一共線排列，但並不以此為限，亦可呈不共線排列，而由該第一收音單元11、該第二收音單元12以及該第三收音單元13形成一三角形的三頂點形式，該第一收音單元11、該第二收音單元12以及該第三收音單元13之間形成一由該第一間距D1加上該第二間距D2的總收音長度Xm，且該第一收音單元11、該第二收音單元12以及該第三收音單元13各別接收該聲源60，並各輸出一類比訊號。

該低通濾波器40與該收音部10電性連接，用以接收該第一收音單元11、該第二收音單元12以及該第三收音單元13所輸出的該類比訊號，並將該類比訊號中高頻雜訊的部分過濾，令該類比訊號中低頻的部分輸出，在此實施例中，該低通濾波器40可通過的訊號頻率取決於麥克風之間的一距離所決定的一有效頻寬，例如在此該有效頻寬可由c/(2×D1)或是c/(2×D2)決定，其中c為聲速，D1為該第一間距，D2為該第二間距，透過該有效頻寬的建立，將輸入聲源的頻寬限制。

該類比轉數位單元20在此為透過該低通濾波器40與該收音部10電性連接，但亦可直接與該收音部10電性連接，該類比轉數位單元20為接收該類比訊號，並將該類比訊號各轉換成一第一數位訊號、一第二數位訊號以及一第三數位訊號，請參『圖2』所示，該第一數位訊號於空間上可表示為式(1)：

該第二數位訊號於空間上可表示為式(2)：

該第三數位訊號於空間上可表示為式(3)：

其中，s(t)為訊號基底(baseband signal)，ω _c 為中心頻率(center frequency)，k為波向量(wave vector)=ω _c κ /c，κ =(sin θ,cos θ)，c為聲速(sound speed)。

而該數位訊號處理器30與該類比轉數位單元20電性連接，並接收該類比轉數位單元20所輸出的該第一數位訊號、該第二數位訊號以及該第三數位訊號，並將其表示為式(4)及式(5)：

其中，n₁ (t)~n₃ (t)為各收音單元未校正的雜訊，a(κ )為指向向量，n(t)為雜訊。

該數位訊號處理器30包含一凸優化軟體31，該數位訊號處理器30利用該凸優化軟體31對式(5)進行一凸優化(Convex Optimization)處理，該凸優化處理為對該第一數位訊號、該第二數位訊號以及該第三數位訊號進行一權重設置，以形成一具有特定方向性的指向數位音訊，該指向數位音訊可表示為式(6)：h(ω,κ)=w^H a(κ) (6)

其中，w^H 為設定權重。

該凸優化處理詳細可參照「S.Boyd and L.Vandenberghe,Convex optimization,(Cambridge University Press,New York,2004),Chap.1-7.-Convex optimization」之說明，在此將該文記載之方法併入本文，並應視為本申請案之一部分。

在此實施例中，該數位訊號處理器30還包含一黃金分割搜尋軟體32，該數位訊號處理器30利用該黃金分割搜尋軟體32，以黃金分割搜尋(Golden Section Search)的方式設定該第一間距D1及該第二間距D2之大小，而對該指向數位音訊進行一最佳化處理，在此實施例中，定義一計算因子為式(7)以及一目標函數為式(8)以進行該黃金分割搜尋：

其中，I為設定頻率的等份個數，ω _i 為第i個頻率點，x為一設定變數，在此可為該第一間距D1。

關於該黃金分割搜尋，詳細可參照「R.P.Brent,Algorithms for Minimization without Derivatives.Prentice-Hall,Englewood Cliffs,New Jersey,p.48-75(1973).-GSS-PI」之說明，在此將該文記載之方法併入本文，並應視為本申請案之一部分。

另外，在此實施例中，該微型電子式獵槍麥克風還可包含一數位轉類比單元50，該數位轉類比單元50與該數位訊號處理器30電性連接，其接收該數位訊號處理器30所輸出的該指向數位音訊，並轉換成一指向類比音訊輸出。

請搭配參閱『圖3A』、『圖3B』以及『圖3C』所示，『圖3A』為傳統具收音管之獵槍式麥克風的收音模擬示意圖，該獵槍式麥克風其收音管之總長為6公分，收音管上的孔洞間距為1.5公分，從『圖3A』中可以看到，當所接收之該聲源60的頻率為11000Hz以上時，就會產生旁瓣輻射(Grating lobes)及空間混疊(Spatial aliasing)的問題，而影響收音的指向性；『圖3B』為習知等間距陣列麥克風的收音模擬示意圖，該等間陣列麥克風其麥克風個數為三個，每個麥克風間距為1.5公分，間距總長為3公分，將其接收音訊經過凸優化處理後，從『圖3B』中可以發現，該接收音訊於低頻時的指向性相較上述該獵槍式麥克風為佳，但於該聲源60的頻率為11000Hz以上時，仍會產生旁瓣輻射及空間混疊的問題；『圖3C』為本發明微型電子式獵槍麥克風的收音模擬示意圖，本發明之該微型電子式獵槍麥克風，在此該總收音長度Xm為3公分，經黃金分割搜尋後，設定該第一間距D1為2公分，該第二間距D2為1公分，其於接收該聲源60後，經過該凸優化處理，形成該指向數位音訊，從『圖3C』中可知，該指向數位音訊相較上述該等間距陣列麥克風所產生之接收音訊，於主軸(0度)上的寬度更為集中，且於該聲源60的頻率約為17000Hz時，才有旁瓣的產生，因此具有一最大收音頻率，而有效降低旁瓣輻射及空間混疊的情形。

要補充說明的是，習知的該等間距陣列麥克風，若為三個 麥克風時，定義一第一麥克風與一第二麥克風之間距為d₁ ，該第二麥克風與一第三麥克風之間距為d₂ ，其最大的收音頻率f可由式(9)求出：

其中，c為聲速，d為麥克風之間的距離，例如在『圖3B』的舉例中，該等間距陣列麥克風的該收音頻率f為：

所以在『圖3B』可看出該聲源60之頻率約為11000Hz以上時，即會產生旁瓣輻射及空間混疊的問題，然而，在本發明中，與該等間距陣列麥克風相較之下，在該總收音長度Xm等於該間距總長，且該收音單元的個數等於該麥克風的個數之情況下，D1+D2將等於d₁ +d₂ ，且如『圖3C』所示，於該聲源60的頻率約為17000Hz以上時，才有旁瓣的產生，因此使該收音部10具有一大於該收音頻率f的該最大收音頻率。

綜上所述，由於本發明藉由該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元的設置，還有該第一間距大於該第二間距的設計，不僅使該微型電子式獵槍麥克風達到指向收音的效果，更使該收音部與一般等間距陣列麥克風相較，於該總收音長度及該收音單元個數皆相等的情況下，具有該最大收音頻率，可增加收音時的頻率上限，減少旁瓣輻射(Grating lobes)及空間混疊(Spatial aliasing)的產生，再者，本發明可利用微機 電製程製作，相較傳統具收音管的獵槍式麥克風，不僅在收音上具有較佳的指向性，且大幅縮減體積，可應用於各種行動電子產品，而具有方便攜帶與使用的優點，因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧收音部

11‧‧‧第一收音單元

12‧‧‧第二收音單元

13‧‧‧第三收音單元

20‧‧‧類比轉數位單元

30‧‧‧數位訊號處理器

31‧‧‧凸優化軟體

32‧‧‧黃金分割搜尋軟體

40‧‧‧低通濾波器

50‧‧‧數位轉類比單元

60‧‧‧聲源

D1‧‧‧第一間距

D2‧‧‧第二間距

Xm‧‧‧總收音長度

k‧‧‧波向量

κ ‧‧‧(sin θ,cos θ)

圖1，為本發明一實施例的結構配置示意圖。

圖2，為本發明一實施例的收音單元設置示意圖。

圖3A，為傳統具收音管之獵槍式麥克風的收音模擬示意圖。

圖3B，為習知等間距陣列麥克風的收音模擬示意圖。

圖3C，為本發明微型電子式獵槍麥克風的收音模擬示意圖。

11‧‧‧第一收音單元

12‧‧‧第二收音單元

13‧‧‧第三收音單元

60‧‧‧聲源

D1‧‧‧第一間距

D2‧‧‧第二間距

Xm‧‧‧總收音長度

k‧‧‧波向量

κ ‧‧‧(sin θ,cos θ)

Claims (7)

1. 一種微型電子式獵槍麥克風，用以接收一指定方向的聲源，包含有：一收音部，包括一第一收音單元、一與該第一收音單元相距一第一間距D1的第二收音單元以及一與該第二收音單元相距一第二間距D2的第三收音單元，該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元各別接收該聲源，並各輸出一類比訊號；一與該收音部電性連接的類比轉數位單元，該類比轉數位單元接收該類比訊號並轉換成一第一數位訊號、一第二數位訊號以及一第三數位訊號；以及一與該類比轉數位單元電性連接的數位訊號處理器，該數位訊號處理器將該第一數位訊號、該第二數位訊號以及該第三數位訊號轉換成一指向數位音訊；其中，該第一間距D1大於該第二間距D2而使該收音部具有一大於以下式表達收音頻率f的最大收音頻率： 其中，c為聲速。
2. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中更包含一設於該收音部與該類比轉數位單元之間的低通濾波器，該低通濾波器分別與該收音部以及該類比轉數位單元電性連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中更包含一與該數位訊號處理器電性連接的數位轉類比單元，該數位轉類比單元接收該指向數位音訊並轉換成一指向類比音訊輸出。
4. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元為共線排列。
5. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中該第一收音單元、該第二收音單元以及該第三收音單元為不共線排列。
6. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中該數位訊號處理器包含一設定該第一數位訊號、該第二數位訊號以及該第三數位訊號之權重的凸優化軟體。
7. 如申請專利範圍第1項所述的微型電子式獵槍麥克風，其中該數位訊號處理器包含一設定該第一間距D1及該第二間距D2之大小的黃金分割搜尋軟體。