专利名称：：三经线交点球麦克风阵列及其设计方法
技术领域：
：本发明涉及一种麦克风阵列，特别是涉及一种球形麦克风阵列及其设计方法。
背景技术：
：随着音频技术的不断发展，利用单个麦克风进行空间声场采集已经不能满足应用要求，因此麦克风阵列受到了越来越广泛的关注。麦克风阵列就是一定数目的麦克风按照一定的规则布局而组成的音频信号采集装置。常见的麦克风阵列主要有线形麦克风阵列、环形麦克风阵列、球形麦克风阵列。球形麦克风阵列由于自身物理结构的优越性，在高空间分辨率的声场录制、波束形成、空间声场分析、三维空间声源定位、语音增强等领域具有广泛的应用前景。球麦克风阵列性能的优劣很大程度上决定于阵列结构的好坏，因此球麦克风阵列结构的设计受至lj了广泛的关注。Rafaely(B.Rafaely，Analysisanddesignofsphericalmicrophonearrays,IEEETransactionsonSpeechandAudioProcessing,vol.13，no.1,pp.135-143，2005.)列举了现有的三种球麦克风阵列等角度分布的球麦克风阵列、高斯分布的球麦克风阵列、近似均匀分布的球麦克风阵列，并对该三种球麦克风阵列的结构进行了详细的描述，而且还对它们的性能表现进行了对比分析。等角度分布球麦克风阵列和高斯分布球麦克风阵列的麦克风分布规律，关于中心轴线具有旋转对称性，然而它们的麦克风分布不均匀，在轴线端点附近麦克风过于集中。要采集W阶的声场信息，利用等角度分布的球麦克风阵列时，所需的麦克风数目至少应为4(7V+1)、利用高斯分布的球麦克风阵列时，所需的麦克风数目至少应为2(W+1)2;而利用均匀分布的球麦克风阵列时，阵列的麦克风数目至少应为(7V+1)2。通过以上的数值比较，可以看出等角度分布球麦克风阵列和高斯分布球麦克风阵列都存在着很大的阵列冗余。虽然均匀分布的球麦克风阵列的阵列冗余度最小，但是该阵列的麦克风位置分布没有规律，而且当阵列所需的麦克风数目较多时，难以确定每个麦克风的位置。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三经线交点球麦克风阵列及其设计方法。该球麦克风阵列关于空间直角坐标系的三条坐标轴旋转对称，阵列冗余度较小，而且能方便地确定出该球麦克风阵列在承载球体表面的空间位置分布。为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现上述三经线交点球麦克风阵列，是由承载球体和固定在承载球体表面上的若干麦克风组成，其特征在于上述若干麦克风被固定在承载球体表面的三经线交点位置处。上述三经线交点球麦克风阵列的设计方法，包括如下步骤(1)、建立以承载球体的球心为坐标原点的空间直角坐标系；(2)、分别在上述承载球体的表面作三组等夹角的大圆，其具体步骤如下-(2-1)、以空间直角坐标系的Z轴为轴线在承载球体的表面上作尺个等夹角的大圆，其中《的取值为2的正整数次方，并且该尺个大圆包含位于;roz平面和yoz平面上的两个大圆；(2-2)、以空间直角坐标系的；r轴为轴线在承载球体的表面上再作《个等夹角的大圆，其中该^个大圆包含位于^TO,平面和^^平面上的两个大圆；(2-3)、以空间直角坐标系的y轴为轴线在承载球体的表面上也作《个等夹角的大圆，其中该尺个大圆包含位于；ray平面和yoz平面上的两个大圆；(3)、从步骤(2)所作的三组大圆的交点中选取出不同组的三个大圆的共交点，该三个大圆的共交点即为三经线交点，在承载球体表面的每个三经线交点位置处固定一个麦克风，即得到了三经线交点球麦克风阵列。上述承载球体是用来承载麦克风和保持麦克风位置的，它有两种类型一种为刚性球体，一种为开放式球体。上述承载球体的半径r由公式(l)计算得到dV(1)2《其中，c为空气中声音的传播速度，7V为球麦克风阵列的阶数，/^Pt为球麦克风阵列可采集处理的音频信号的最佳频率点。在确定承载球体半径的时候，应首先确定出要使用的球麦克风阵列的阶数；然后根据具体的应用环境确定出要釆集的音频信号的最优频率，并将此频率作为球麦克风阵列可采集处理的音频信号的最佳频率点；再将以上确定的参数代入到公式(1)，计算出球麦克风阵列承载球体的半径。根据三经线交点球麦克风阵列的麦克风分布规律，可以归纳计算出三经线交点球麦克风阵列上麦克风的数目Z为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)本发明与现有技术相比^，具有以下优点1、由于三经线交点球麦克风阵列上的麦克风均位于承载球体表面的三经线交点位置处，因此能方便地确定出每个麦克风在承载球体表面的位置；2、三经线交点球麦克风阵列关于空间直角坐标系的三条坐标轴均具有旋转对称性，因此它在被应用于空间声场分析、波束形成、三维空间声源定位时，能利用该旋转对称性简化计算过程，节省运算开销；3、三经线交点球麦克风阵列与等角度分布球麦克风阵列和高斯分布球麦克风阵列相比，麦克风在承载球体表面上分布更为均匀。因此，三经线交点球麦克风阵列的冗余度也比等角度分布球麦克风阵列和高斯分布球麦克风阵列的冗余度更小。图1为本发明的三经线交点球麦克风阵列设计方法的流程图；图2为本发明的空间直角坐标系与球坐标系对应关系的示意图3为本发明的实施例一的步骤(2)中以z轴为轴线在球面上作4个等夹角大圆的示意图4为本发明的实施例一的步骤(2)中分别以z轴和;f轴为轴线在球面上作4个等夹角大圆的示意图5为本发明的实施例一的步骤(2)中分别以z轴、；f轴、y轴为轴线在球面上作4个等夹角大圆的示意图6为本发明的实施例一中的三经线交点球麦克风阵列分布在承载球体表面上的26个位置点的示意图7为本发明的实施例二的步骤(2)中以z轴为轴线在球面上作8个等夹角大圆的示意图8为本发明的实施例二的步骤(2)中分别以》轴和x轴为轴线在球面上作8个等夹角大圆的示意图9为本发明的实施例二的步骤(2)中分别以z轴、；r轴、y轴为轴线在球面上作8个等夹角大圆的示意图10为本发明的实施例二中的三经线交点球麦克风阵列分布在承载球体表面上的98个位置点的示意图11为本发明的实施例二中得到的48个不同组的两个大圆的交点位置的示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的三经线交点球麦克风阵列的设计方法实施例进行详细的描述，实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例一本实施例中球麦克风阵列的应用环境和性能指标如下需采集3阶的空间声场信号，测量环境中音频信号的频率范围为300Hz~3400Hz，且音频信号的频率主要集中在2000Hz附近。根据以上的应用要求来确定要使用的三经线交点球麦克风阵列的技术参数。由于需采集3阶的空间声场信号，因此使用26个点的三经线交点球麦克风阵列即能满足应用要求。参照图1，26个点的三经线交点球麦克风阵列的设计方法包括以下步骤(1)、建立以承载球体的球心为坐标原点的空间直角坐标系，如图2所示；(2)、分别在上述承载球体的表面作三组等夹角的大圆，其具体步骤如下(2-1)、以空间直角坐标系的z轴为轴线在承载球体的表面上作4个等夹角的大圆，其中该4个大圆包含位于；roz平面和"2平面上的两个大圆，如图3所示；(2-2)、以空间直角坐标系的,轴为轴线在承载球体的表面上再作4个等夹角的大圆，其中该4个大圆包含位于;roy平面和；raz平面上的两个大圆，如图4所示；(2-3)、以空间直角坐标系的/轴为轴线在承载球体的表面上也作4个等夹角的大圆，其中该4个大圆包含位于;ray平面和yoz平面上的两个大圆，如图5所示；(3)、步骤(2)所作的三组大圆相交共得到26个交点，该26个交点均为不同组的三个大圆的共交点，即为三经线交点。在承载球体表面的该26个三经线交点位置处固定上麦克风，即得到了26个点的三经线交点球麦克风阵列。图6中所示的26个黑点即为本发明的26个点的三经线交点球麦克风阵列在承载球体表面上的分布点。在图2所示的空间坐标系中，空间中任意一点的球坐标O,夕，0)与空间直角坐标(JC,y,z)之间的对应关系可表示为(3)式z=rcos6根据图6中给出的26个点的三经线交点球麦克风阵列的位置分布，可以容易地确定出每个麦克风在承载球体表面的位置坐标W，60，将得到的角度值列表如下(0，0)(0，45)(45,55)(90,45)(135,55)(180，45)(225,55)(270,45)(315，55)(0，90)(45，90)(90,90)6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>再根据具体的应用环境中所提到的信息测量环境中音频信号的频率范围为300Hz3400Hz，且音频信号主要集中在2000Hz频率附近，故应确定球麦克风阵列可采集处理的音频信号的最佳频率为2000Hz。将以上得到的参数值代入到公式(l)中，即可计算出阵列承载球体的半径r为8.1cm。将26个麦克风固定在一个半径为8.1cm的承载球体表面的26个三经线交点位置处，即得到了实施例一需要的三经线交点球麦克风阵列。实施例二此实施例中球麦克风阵列的应用环境和性能指标如下需采集7阶的空间声场信号，测量环境中音频信号的频率范围为2300Hz~3600Hz,且音频信号的频率主要集中在3000Hz附近。根据以上的应用要求来确定要使用的三经线交点球麦克风阵列的技术参数。由于需采集7阶的空间声场信号，因此应使用98个点的三经线交点球麦克风阵列来达到以上应用要求。参照图1，98个点的三经线交点球麦克风阵列上的麦克风在承载球体表面的位置可通过以下步骤确定(1)、本步骤与实施例一的步骤(l)相同；(2)、分别在上述承载球体的表面作三组等夹角的大圆，其具体步骤如下-(2-1)、以空间直角坐标系的z轴为轴线在承载球体的表面上作8个等夹角的大圆，其中该8个大圆包含位于^z平面和yoz平面上的两个大圆，如图7所示；(2-2)、以空间直角坐标系的x轴为轴线在承载球体的表面上再作8个等夹角的大圆，其中该8个大圆包含位于;ra/平面和x^平面上的两个大圆，如图8所示；(2-3)、以空间直角坐标系的/轴为轴线在承载球体的表面上也作8个等夹角的大圆，其中该8个大圆包含位于;ro/平面和平面上的两个大圆，如图9所示；(3)、步骤(2)所作的三组大圆相交共得到146个交点，其中有98个交点为不同组的三个大圆的共交点，是三经线交点，另外的48个交点只是不同组的两个大圆的交点，不是三经线交点。在承载球体表面上的该98个三经线交点位置处固定上麦克风，即得到了98个点的三经线交点球麦克风阵列。图10中所示的98个黑点即为本发明的98个点的三经线交点球麦克风阵列在承载球体表面上的分布点。图11中所示的48个黑点即为本实施例中得到的48个仅为不同组的两个大圆的交点。7根据图10中给出的98个点的三经线交点球麦克风阵列的位置分布，可以容易地确定出每个麦克风在承载球体表面的位置坐标W，6)，将得到的角度值列表如下(<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>再根据具体的应用环境中所提到的信息测量环境中音频信号的频率范围为2300Hz3600Hz，且音频信号主要集中在3000Hz频率附近，故应确定球麦克风阵列可采集处理的音频信号的最佳频率为3000Hz。将以上得到的参数值代入到公式(l)中，即可计算出阵列承载球体的半径r为12.6cm。将98个麦克风固定在一个半径为12.6cm的承载球体表面的98个三经线交点位置处，即得到了实施例二需要的三经线交点球麦克风阵列。权利要求1、一种三经线交点球麦克风阵列，它由承载球体和固定在承载球体表面上的若干麦克风组成，其特征在于上述若干麦克风被固定在承载球体表面的三经线交点位置处。2、根据权利要求l所述的三经线交点球麦克风阵列，其特征在于上述承载球体的半径r由公式(l)计算得到-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，c为空气中声音的传播速度，iv为球麦克风阵列的阶数，y^pt为球麦克风阵列可采集处理的音频信号的最佳频率点。3、一种三经线交点球麦克风阵列的设计方法，其特征在于包括如下步骤(1)、建立以承载球体的球心为坐标原点的空间直角坐标系；(2)、分别在上述承载球体的表面作三组等夹角的大圆，其具体步骤如下(2-1)、以空间直角坐标系的Z轴为轴线在承载球体的表面上作《个等夹角的大圆，其中A:的取值为2的正整数次方，并且该尺个大圆包含位于;roz平面和/oz平面上的两个大圆；(2-2)、以空间直角坐标系的义轴为轴线在承载球体的表面上再作《个等夹角的大圆，其中该《个大圆包含位于；ray平面和；raz平面上的两个大圆；(2-3)、以空间直角坐标系的/轴为轴线在承载球体的表面上也作尺个等夹角的大圆，其中该尺个大圆包含位于；ray平面和yoz平面上的两个大圆；(3)、从步骤(2)所作的三组大圆的交点中选取出不同组的三个大圆的共交点，该三个大圆的共交点即为'三经线交点，在承载球体表面上的每个三经线交点位置处固定一个麦克风，即得到了三经线交点球麦克风阵列。全文摘要本发明公开了一种三经线交点球麦克风阵列及其设计方法。该阵列由承载球体和固定在承载球体表面上的若干麦克风组成，若干麦克风被固定在承载球体表面的三经线交点位置处。该阵列的设计方法包括以下步骤(1)建立以承载球体的球心为坐标原点的空间直角坐标系；(2)分别在上述承载球体的表面作三组等夹角的大圆；(3)从步骤(2)所作的三组大圆的交点中选取出不同组的三个大圆的共交点，并在承载球体表面上的这些共交点处固定麦克风，即得到了三经线交点球麦克风阵列。该球麦克风阵列关于空间直角坐标系的三条坐标轴旋转对称；该球麦克风阵列的冗余度较小；并且该球麦克风阵列在承载球体表面的空间位置分布能够方便地确定。文档编号H04R1/08GK101674508SQ200910196589公开日2010年3月17日申请日期2009年9月27日优先权日2009年9月27日发明者庄启雷,黄青华申请人:上海大学