低噪微分麦克风阵列的制作方法
【专利摘要】一种低噪微分麦克风阵列。提供了一种微分麦克风阵列(DMA)，其包括用于将声音转换为多个电信号的多个(M个)麦克风传感器以及处理器，该处理器构造成：在时间窗内将线性约束最小方差滤波器应用在电信号上以计算电信号在多个子带上的频率响应，以及对电信号对于每个子带的频率响应进行求和，以计算声音的估算频谱。
【专利说明】低噪微分麦克风阵列
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及微分麦克风阵列(DMA)，并且特别地涉及具有低噪放的DMA。
【背景技术】
[0002]麦克风阵列可以包括多个地理形式布置的麦克风传感器,这些麦克风传感器用于接收声音信号(例如语音信号)并将语音信号转换为电信号。电信号可以被模-数转换器(ADC)数字化，以转换成可以被处理器(例如数字信号处理器)进一步处理的数字信号。与单个麦克风相比，由麦克风阵列接收的声音信号可以被进一步处理，以进行减噪/语音增强、声源分离、解混响、空间录音、以及声源定位和追踪。处理过的数字信号可以被打包以在通信信道上传输或者使用数-模转换器(ADC)被转换回模拟信号。麦克风阵列还已经被配置成用于波束成形或者定向声音信号接收。处理器可以被编程好像从特定的声源接收声音信号。
[0003]加法麦克风阵列可以基于同步和添加原理而实现信号增强和噪声抑制。为了实现更好的噪声抑制，加法麦克风阵列可以包括较大的传感器间距离。例如，加法麦克风阵列中的麦克风传感器之间的距离可以在从几厘米到几分米的范围内。由于较大的传感器间距，加法麦克风阵列的体积尺寸可能较大。因为这个原因，加法麦克风阵列可能不适于很多应用。另外，加法麦克风可能经受以下缺点。首先，加法麦克风阵列的波束图案是与频率有关的，并且形成的波束的宽度与频率成反比。所以加法麦克风阵列在处理低频噪声和干涉时并不有效。其次，来自加法麦克风阵列的噪声分量通常在整个频谱范围内以不均匀的方式被衰减，从而导致输出中不理想的缺陷。最后，当目标语音源的入射角与阵列的面对方向不同时(实际中可能经常出现的情形)，语音信号可被低通滤波，从而导致语音失真。
[0004]相比之下，微分麦克风阵列(DMA)允许传感器之间的距离小些，并且可以制造得非常紧凑。DMA包括对声压场的空间导数进行响应的麦克风传感器的阵列。例如，多个地理形式布置的全向传感器的输出可以被组合在一起以测量麦克风传感器之间的声压场的微分。因此，可以由全向麦克风传感器构建不同阶的DMA，使得DMA可以具有特定的方向性。图1示出了三阶DMA。如图1所示，DMA的一阶信号微分可以通过减去两个相邻的全向麦克风传感器的输出来构建。二阶微分DMA可以通过减去两个相邻的一阶微分输出来构建。类似地，三阶微分DMA可以通过减去两个相邻的二阶微分输出来构建。类似地，N阶微分DMA可以通过减去两个(N-1)阶微分来构建。
[0005]与加法麦克风阵列相比，DMA具有以下优点。第一，DMA可以形成频率无关的波束图案使得它们对于处理高频信号和低频信号都是有效的。第二，DMA具有以给定数量的麦克风传感器获得最大定向增益的可能。第三，DMA的增益随着声音源与阵列之间的距离而减小，因此内在地抑制了环境噪声和来自远处的源的干涉。
[0006]N阶DMA可以由至少N+1个麦克风传感器来构建。如图1所示，DMA可以通过在一阶水平处对两个邻近的麦克风传感器的输出信号直接计算微分或者通过在较高阶水平处对其相应的导数直接计算微分而在时域构建。如图1所示的实施方式有缺点。例如，DMA的微分输出的每个水平需要均衡滤波器以用于补偿阵列的不均匀的频率响应，特别是对于高阶DMA而言。均衡滤波器在实际中设计和调谐是困难的。
[0007]另一个缺点是，DMA可能放大传感器噪声。每个麦克风传感器可能包括可以响应于声波而振动以将声波所施加的压力转换成电信号的膜。除了声音的测量结果之外，所生成的电信号还包括传感器噪声。与环境噪声不同，传感器噪声是麦克风传感器所固有的，因此即使在诸如Sound Booth之类的隔声环境中也是存在的。一般地，麦克风阵列输出可能由于取决于麦克风传感器的质量的传感器而具有20dB-30dB的白噪声。DMA已知被用于传感器噪声的放大；并且，DMA的阶越高，则放大率越大。例如，现有技术的三阶DMA可以将传感器噪声放大至大约80dB，从而使DMA对实用目的而言无用。
[0008]一种减小传感器噪声的方式是在麦克风传感器中使用较大的膜。然而，较大的膜和较大的麦克风传感器都增大了 DMA的体积尺寸。另一种减小传感器噪声的方式是使用产生较少噪声的材料。然而，产生的传感器噪声越低，则麦克风传感器越昂贵。例如，20dB的麦克风传感器远比30dB的麦克风传感器昂贵得多得多。最后，无论麦克风传感器是如何制造的，传感器噪声都固有地存在并且经历DMA的放大。据此，当前可用和/或已知的DMA局限于一阶或二阶微分。因此，存在在当前的DMA上进行改进并且提供改进的低噪微分麦克风阵列的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示出了三级微分麦克风阵列。
[0010]图2示出了根据本发明的实施例的微分麦克风阵列。
[0011]图3示出了根据本发明的实施例的微分麦克风阵列的详细示意。
[0012]图4A示出了用于构建根据本公开的实施例的DMA滤波器的过程。
[0013]图4B示出了用于操作根据本公开的实施例的DMA滤波器的过程。
[0014]图5示出了根据本公开的实施例的使用两个麦克风传感器设计的一阶心形方向性DMA的波束图案。
[0015]图6示出了根据本公开的实施例的使用五个麦克风传感器设计的一阶心形方向性DMA的波束图案。
[0016]图7示出了根据本公开的实施例的使用八个麦克风传感器设计的一阶心形方向性DMA的波束图案。
[0017]图8示出了根据本公开的实施例的一阶心形方向性DMA的白噪声增益。
[0018]图9示出了根据本公开的实施例的二阶心形方向性DMA的白噪声增益。
[0019]图10示出了根据本公开的实施例的三阶心形方向性DMA的白噪声增益。
【具体实施方式】
[0020]存在对于容易设计并且能够减少和/或消除传感器噪声的放大的微分麦克风阵列的需要。
[0021]本发明的实施例包括微分麦克风阵列(DMA)和处理器,该微分麦克风阵列包括用于将声音转换为多个电信号的多个(M个)麦克风传感器，该处理器构造成在时间窗内将线性约束最小方差滤波器应用在电信号上以计算电信号在多个子带上的频率响应并且对电信号对于每个子带的频率响应进行求和，从而计算声音的估算频谱。
[0022]在本发明的实施例中，麦克风传感器的数量比DMA的阶数加I要大，并且线性约束最小方差滤波器是最小范数滤波器。在本发明的其他实施例中，麦克风传感器的数量等于DMA的阶数加I。
[0023]本发明的实施例包括用于操作包括用于将声音转换为电信号的多个(M个)麦克风传感器的微分麦克风阵列的方法。该方法包括在时间窗内将线性约束最小方差滤波器应用在电信号上，以计算电信号在多个子带上的频率响应并且对电信号对每个子带的频率响应进行求和，以计算声音的估算频谱。
[0024]本发明的实施例包括对包括多个(M个)麦克风传感器的微分麦克风阵列设计重建滤波器的方法。该方法包括:对微分麦克风阵列指定目标微分阶(N);指定N+1个导向矢
【权利要求】
1.一种微分麦克风阵列，包括: 用于将声音转换为多个电信号的多个(M个)麦克风传感器；以及 处理器，所述处理器构造成: 在时间窗内将线性约束最小方差滤波器应用在所述电信号上，以计算所述电信号在多个子带上的频率响应；以及 对所述电信号对于每个子带的频率响应进行求和，以计算声音的估算频谱。
2.根据权利要求1所述的微分麦克风阵列，其中，所述处理器进一步构造成: 在应用所述线性约束最小方差滤波器之前，计算所述电信号的短时傅立叶变换；以及 计算所述电信号的估算频谱的逆短时傅立叶变换。
3.根据权利要求1所述的微分麦克风阵列，其中，所述微分麦克风阵列是均匀线性麦克风阵列和非均匀线性麦克风阵列中的一种。
4.根据权利要求1所述的微分麦克风阵列，其中，所述微分麦克风阵列的微分阶数为N，并且其中所述线性约束最小方差滤波器由所述微分麦克风阵列的波束图案确定。
5.根据权利要求4所述的微分麦克风阵列，其中，所述线性约束最小方差滤波器作为导向矩阵D的函数来计算，并且其中所述导向矩阵D包括N+1个导向矢量，咖，％?) = [1’一*’…，广…彳，其中n = 1，2，...，N，j=^, ω是角频率，τ 0 =S/C，其中δ是传感器间距离，并且c是声音速度。
6.根据权利要求5所述的微分麦克风阵列，其中，M= Ν+1并且D为方阵，并且其中所述线性约束最小方差滤波器a) =T`1(G), a) β，其中β是指定波束图案的矢量。
7.根据权利要求5所述的微分麦克风阵列，其中，M> N+1并且D为矩形矩阵，并且其中所述线性约束最小方差滤波器是最小范数滤波器h(?，α) =?Η(ω, α)[?(ω, α)?Η(ω,αΠ。
8.一种操作包括将声音转换成电信号的多个(Μ个)麦克风传感器的微分麦克风阵列的方法，包括: 通过处理器在时间窗内将线性约束最小方差滤波器应用在所述电信号上，以计算所述电信号在多个子带上的频率响应；以及 通过所述处理器对所述电信号对于每个子带的频率响应进行求和，以计算声音的估算频谱。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括: 在应用所述线性约束最小方差滤波器之前，计算所述电信号的短时傅立叶变换；以及 计算所述电信号的估算频谱的逆短时傅立叶变换。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述微分麦克风阵列是均匀线性麦克风阵列和非均匀线性麦克风阵列中的一种。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述微分麦克风阵列的微分阶数为N，并且其中所述线性约束最小方差滤波器由所述微分麦克风阵列的波束图案确定。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述线性约束最小方差滤波器作为导向矩阵D的函数来计算，并且其中所述导向矩阵D包括Ν+1个导向矢量 0W1J =ΛΜ f，其中 n = 1，2，...,N, j = V-l , ω 是角频率，τ 0 = δ /C，其中δ是传感器间距离，并且C是声音速度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，M= Ν+1并且D为方阵，并且其中所述线性约束最小方差滤波器Kaw(G^a) = IT1(G^a) β，其中β是指定波束图案的矢量。
14.根据权利要求12所述的方法，根据权利要求5所述的微分麦克风阵列，其中，M>Ν+1并且D为矩形矩阵，并且其中所述线性约束最小方差滤波器是最小范数滤波器h(?，a ) = Dh ( ω，α ) [D ( ω，α ) Dh ( ω，α ) ]β。
15.一种设计用于包括多个(Μ个)麦克风传感器的微分麦克风阵列的重建滤波器的方法，包括: 通过处理器指定对于所述微分麦克风阵列的目标微分阶(N)； 通过所述处理器指定Ν+1个导向矢量，
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述微分麦克风阵列是均匀线性麦克风阵列和非均匀线性麦克风阵列中的一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，M= Ν+1并且D为方阵，并且其中所述重建滤波器h(co，a) =IT1(G^a) β，其中β是指定波束图案的矢量。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，M> Ν+1并且D为矩形矩阵，并且其中所述重建滤波器为最小范数滤波器h(co，α ) = Dh ( ω , α ) [D ( ω，α ) Dh ( ω , α)]-、。
【文档编号】H04R3/00GK103856866SQ201310270191
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年6月10日 优先权日:2012年12月4日
【发明者】J·贝内斯蒂, 陈景东 申请人:西北工业大学