[發明專利]低噪微分麥克風陣列

有效

• 申請號: 201310270191.9
• 申請日: 2013-06-10
• 公開（公告）號: CN103856866B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: J·貝內斯蒂;陳景東
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04R3/00
• 分類號: H04R3/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 杜娟娟;王忠忠

一種低噪微分麥克風陣列。提供了一種微分麥克風陣列(DMA)，其包括用于將聲音轉換為多個電信號的多個(M個)麥克風傳感器以及處理器，該處理器構造成：在時間窗內將線性約束最小方差濾波器應用在電信號上以計算電信號在多個子帶上的頻率響應，以及對電信號對于每個子帶的頻率響應進行求和，以計算聲音的估算頻譜。

技術領域

本發明總的涉及微分麥克風陣列(DMA)，并且特別地涉及具有低噪放的DMA。

背景技術

麥克風陣列可以包括多個地理形式布置的麥克風傳感器，這些麥克風傳感器用于接收聲音信號(例如語音信號)并將語音信號轉換為電信號。電信號可以被模-數轉換器(ADC)數字化，以轉換成可以被處理器(例如數字信號處理器)進一步處理的數字信號。與單個麥克風相比，由麥克風陣列接收的聲音信號可以被進一步處理，以進行減噪/語音增強、聲源分離、解混響、空間錄音、以及聲源定位和追蹤。處理過的數字信號可以被打包以在通信信道上傳輸或者使用數-模轉換器(ADC)被轉換回模擬信號。麥克風陣列還已經被配置成用于波束成形或者定向聲音信號接收。處理器可以被編程好像從特定的聲源接收聲音信號。

加法麥克風陣列可以基于同步和添加原理而實現信號增強和噪聲抑制。為了實現更好的噪聲抑制，加法麥克風陣列可以包括較大的傳感器間距離。例如，加法麥克風陣列中的麥克風傳感器之間的距離可以在從幾厘米到幾分米的范圍內。由于較大的傳感器間距，加法麥克風陣列的體積尺寸可能較大。因為這個原因，加法麥克風陣列可能不適于很多應用。另外，加法麥克風可能經受以下缺點。首先，加法麥克風陣列的波束圖案是與頻率有關的，并且形成的波束的寬度與頻率成反比。所以加法麥克風陣列在處理低頻噪聲和干涉時并不有效。其次，來自加法麥克風陣列的噪聲分量通常在整個頻譜范圍內以不均勻的方式被衰減，從而導致輸出中不理想的缺陷。最后，當目標語音源的入射角與陣列的面對方向不同時(實際中可能經常出現的情形)，語音信號可被低通濾波，從而導致語音失真。

相比之下，微分麥克風陣列(DMA)允許傳感器之間的距離小些，并且可以制造得非常緊湊。DMA包括對聲壓場的空間導數進行響應的麥克風傳感器的陣列。例如，多個地理形式布置的全向傳感器的輸出可以被組合在一起以測量麥克風傳感器之間的聲壓場的微分。因此，可以由全向麥克風傳感器構建不同階的DMA，使得DMA可以具有特定的方向性。圖1示出了三階DMA。如圖1所示，DMA的一階信號微分可以通過減去兩個相鄰的全向麥克風傳感器的輸出來構建。二階微分DMA可以通過減去兩個相鄰的一階微分輸出來構建。類似地，三階微分DMA可以通過減去兩個相鄰的二階微分輸出來構建。類似地，N階微分DMA可以通過減去兩個(N-1)階微分來構建。

與加法麥克風陣列相比，DMA具有以下優點。第一，DMA可以形成頻率無關的波束圖案使得它們對于處理高頻信號和低頻信號都是有效的。第二，DMA具有以給定數量的麥克風傳感器獲得最大定向增益的可能。第三，DMA的增益隨著聲音源與陣列之間的距離而減小，因此內在地抑制了環境噪聲和來自遠處的源的干涉。

N階DMA可以由至少N+1個麥克風傳感器來構建。如圖1所示，DMA可以通過在一階水平處對兩個鄰近的麥克風傳感器的輸出信號直接計算微分或者通過在較高階水平處對其相應的導數直接計算微分而在時域構建。如圖1所示的實施方式有缺點。例如，DMA的微分輸出的每個水平需要均衡濾波器以用于補償陣列的不均勻的頻率響應，特別是對于高階DMA而言。均衡濾波器在實際中設計和調諧是困難的。

另一個缺點是，DMA可能放大傳感器噪聲。每個麥克風傳感器可能包括可以響應于聲波而振動以將聲波所施加的壓力轉換成電信號的膜。除了聲音的測量結果之外，所生成的電信號還包括傳感器噪聲。與環境噪聲不同，傳感器噪聲是麥克風傳感器所固有的，因此即使在諸如Sound Booth之類的隔聲環境中也是存在的。一般地，麥克風陣列輸出可能由于取決于麥克風傳感器的質量的傳感器而具有20dB-30dB的白噪聲。DMA已知被用于傳感器噪聲的放大；并且，DMA的階越高，則放大率越大。例如，現有技術的三階DMA可以將傳感器噪聲放大至大約80dB，從而使DMA對實用目的而言無用。