专利名称：梯度定向话筒系统及其方法
技术领域：
本发明涉及定向话筒系统，具体涉及梯度(gradient)定向话筒系统及其方法。
定向话筒系统是一种具有方向性图型的话筒系统。方向性图型说明定向话筒系统对来自不同方向的声压的敏感性。定向话筒系统的用途是接收从所希望的声源(例如话音)始发的声压，和衰减从一个不希望的声源(如噪声)发出的声压。定向话筒系统典型地用在多噪声的环境中，例如在车里或在公共场合中。定向话筒系统的优点是定向话筒系统的方向性图型可做得比通过使用单个话筒取得的方向性图型更特别。
定向话筒系统一般包括多个分散的话筒(每个话筒的特征在于它的方向性图型)和一个处理器用以产生该方向性图型。每个分散的话筒响应从所希望的和不希望的声源发出的声压，产生一个电信号。该处理器处理从每个话筒来的电信号，产生具有该定向话筒系统的方向性图型的输出信号。
一个类型的定向话筒系统的一种类型是梯度定向话筒系统。该梯度定向话筒系统除了梯度定向话筒系统的方向性图型是响应于两个分散的话筒之间的声压差之外类似于定向话筒系统因为梯度定向话筒系统响应两个分开的话筒之间的声压差，故这两个分开的话筒一般放置在与所希望声源共用的轴线上。同样，在每个分开的话筒的声压在同一时刻到达梯度定向话筒系统有利于应用在特定的应用场合其空间和处理复杂性限制了分散话筒数量的情况。
梯度定向话筒系统的特征在于规定该系统的方向性图型的梯度阶(gradient order)。梯度定向话筒系统的梯度阶规定该系统方向性的等级。总的来说，该系统的梯度阶越高，梯度定向话筒系统的方向性越强。例如，具有梯度阶为0的梯度定向话筒系统意味着它是一个无方向性的系统，具有圆形方向性图型。例如，具有梯度阶为1的梯度定向话筒系统可产生一个方向性图型在8字形与心形之间的任何地方。例如，具有梯度阶为2的梯度定向话筒系统产生一个方向性图型可表示为两个一阶梯度的方向性图型的乘积。
梯度定向话筒系统存在的一个问题是系统的大小复杂性、及其成本随着该系统梯度阶的加大而增加。系统大小因需要附加的分开的话筒而增加。复杂性因处理器处理从附加的分开的话筒来的电信号而增加。这个问题典型地发生在梯度定向话筒系统具有梯度阶为2或更大的时候。
在现有技术中，具有第二阶梯度的梯度定向话筒系统包括不少于四个话筒端口。在一个实施例中，使用四个分开的话筒构成四个话筒端口，其中每个分开的话筒具有一个零阶梯度。使用四个话筒的缺点是每个分开的话筒需要空间和相邻的分开话筒之间需要距离。
在另一个实施例中，使用两个分开的话筒构成四个话筒端口，其中每个分开的话筒具有一阶梯度并且有双话筒端口。在双话筒端口之间可放置一个隔板，以分开该双话筒端口。如果不使用隔板，两个分开话筒之间的距离就须增加，因而超过了一个隔板所需要距离。使用两个分开话筒构成四个话筒端口的缺点是隔板占用空间，或者分开的话筒之间的距离增加了。
在两个现有技术的实施例中，处理器要求为处理从四个话筒端口接收到的信号所需的复杂性。
据此，现在需要一种尺寸较小而且复杂性较低的梯度定向话筒系统。
图1示出根据本发明的梯度定向话筒系统的方框图。
图2示出图1所示的根据本发明的梯度定向话筒系统中使用的处理器的中间声频处理的方框图。
图3示出图1所示的根据本发明的梯度定向话筒系统中使用的一个处理器中处理单个话筒信号的电信号处理的方框图。
图4示出图1所示的根据本发明的梯度定向话筒系统中使用的处理器的经济的实施的方框图。
图5示出包括图1所示的根据本发明梯度定向话筒系统的一个通信系统。
根据本发明，上述的需要由于利用一个梯度定向话筒系统及其方法而基本上得以满足。根据本发明的一个实施例，梯度定向话筒系统包括三个话筒和一个处理器。每一个话筒基本上具有相同的梯度阶和频率响应。每个话筒产生一个电信号，该电信号对应于每个话筒的声压。该处理器被耦合用以接收来自每个话筒的电信号，和工作以为梯度定向话筒系统产生输出信号，该梯度定向话筒系统具有比三个话筒的每个话筒的梯度阶高至少两个梯度阶。使用本发明，梯度定向话筒系统的大小和复杂性都比现有技术显著地减少。
参照图1—5来阅读本发明的优选实施例的详细描述就能更好地理解本发明。
图1示出本发明的梯度定向话筒系统100。本发明的梯度定向话筒系统100通常包括第一、第二和第三话筒101、103、105和一个处理器107。根据本发明，三个话筒101、103和105中的每一个都具有对三个话筒基本上相同的梯度阶和频率响应。
第一、第二和第三话筒101、103、105响应在每个话筒上的声压，分别产生第一、第二和第三电信号109、111、113，如箭头115指示的声压至少部分地由一个希望的声压源117产生。三个话筒101、103、和105放置在与所希望的声压源117共同的轴线125上。第一、第二和第三话筒101、103、105的声压分别用箭头119、121和123表示。因为话筒是分开放置的，每个话筒上的声压基本上具有相同的量级，但是相对于由所希望声压源117产生的声压115在时间上延迟了。
根据本发明，该处理器107被耦合来接收从各个话筒101、103和105来的电信号109、111和113，并且工作时在线131上为具有梯度阶141的梯度定向话筒系统产生一个输出信号，梯度阶141至少比3个话筒的每个话筒的梯度阶高两个梯度阶。
根据本发明的优选实施例，三个话筒101、103和105中每个的梯度阶为零，这由每个话筒旁边所示的方向性图型135、137、139表示。每个话筒的方向性图型对于所有入射角133具有相等的敏感度。由该梯度定向话筒系统100实现的梯度阶由方向性图型141表示。方向性图型141由下式表示
Y＝(K/S)〔(K/S)(m1－2m2＋m3)＋(1/2)(m1－m3)〕(1)式中Y是输出，1/S项表示积分，K是定标常数，它正比于声音速度除以话筒之间的间隔，而m1、m2、m3是来自三个话筒的电信号109、111、113。信号m2和m3可用下式以m1来写出m2＝m1e-st(2)m3＝m1e-s2t(3)t＝〔cosθ〕/K (4)式中θ是入射角133。最后的输出Y在下面求出Y＝(K/S)〔(K/S)(m1－2m2＋m3)＋(1/2)(m1－m3)〕(1)＝m1(K/S)〔(K/S)(1－e-st)(1－e-st)＋(1/2)(1－e-st)(1＋e-st)〕 (5)＝m1e-st(K/S)(est/2)〔(K/S)(est/2－e-st/2)(est/2＋e-st/2)](6)＝m2(2K/ω)Sin(ωt/2)〔2K/ω)Sin(ωt/2)＋cos(ωt/2)〕(7)对于K＞ω；y≌m2cos(θ)〔cos(θ)＋1〕(8)方向性图型141通常是单方向的，梯度定向话筒系统100对于从声压源117的方向收到的声压115是敏感的，而且对于从所有其它方向收到的声压基本上是不敏感的。
梯度定向话筒系统100的优点是只使用三个零阶梯度话筒101、103、105产生具有第二阶梯度方向性图型141的输出信号131。相反地，现有技术要求四个零阶梯度话筒，产生具有第二阶梯度方向性图型的输出信号。因此，在本发明中，使用小于零阶梯度话筒的系统显著地减少梯度定向话筒系统100的大小。根据本发明，使用新颖的处理器107得到了减小尺寸的益处。
在本发明的优选实施例，相邻话筒127和129之间的距离大约是25毫米。因此，这相应于约60毫米的总的包装长度。
在本发明的优选实施例中，常数K等于声音速度除以话筒间隔。通过这个常数K定标，可得到另一个输出方向性图型。在该梯度定向话筒系统的输出端的窄双向图型是通过对常数K定标形成的另一个方向性图型的例子。
在本发明的优选实施例中，最后的积分级(未示出)可任选地加到处理器107的输出端上以对输出信号131积分。对于打算在大房间或开阔地区使用梯度定向话筒系统，该最后的积分级是有利的。但是，当梯度定向话筒系统在小房间或汽车中使用时，例如，低频声音的建立产生的效果等效于积分。
本发明的梯度定向话筒系统100可有利地用以作为另一个梯度话筒系统的一部分，这个梯度话筒系统具有三个以上的话筒并且取得的梯度阶比由三个话筒所取得的梯度阶高。
图2—4示出图1的处理器107的另一个方框图。这两个方框图的每个方框图执行的功能是相同的。图2示出从声频观点来看的处理器的方框图。图3示出从电气的观点着眼的处理器的方框图。图4示出从经济的实惠的观点着眼的处理器的方框图。
图2示出图1所示的本发明梯度定向话筒系统100使用的处理器107中间声频处理的方框图。处理器107通常包括第一、第二和第三梯度确定器201、203、205。第一梯度确定器201被耦合用以接收第一和第二电信号109、111，并在工作时在线207上产生第一梯度信号。第二梯度确定器203被耦合，分别地在线111和113上接收第二和第三电信号，并在工作时在线209上产生第二梯度信号。第三梯度确定器205被耦合，在线207和209上接收第一和第二梯度信号，并在工作时在线131上产生输出信号。
在线207和209上的第一和第二梯度信号具有由方向性图型233表示的一阶梯度。方向性图型233最好是心形的；但是，在其它的应用中，方向性图型233也可以是代表一阶梯度的另一种图型。第一阶梯度定向话筒系统的其它方向性图型可包括双向的方向性图型，如8字形。
根据本发明的优选实施例，第一阶梯度确定器通常包括一个平均器213、一个减法器211、一个放大器215、一个积分器217和一个求和器219。单个地说，平均器213、减法器211、放大器215，积分器217和求和器219是本领域公知的，因为除了便于理解本发明之外不再进一步进行讨论。
减法器211从第一电信号109中减去第二电信号111在线221上产生差值信号。平均器213分别对线109和111上的第一和第二电信号取平均，在线223上产生一个平均的信号。放大器215对线221上的差值信号放大，以在线225上产生放大的信号。积分器217，积分线225上的放大的信号，在线227上产生积分的信号。求和器219对在线227上的积分信号和在线223上的平均信号求和，产生第一梯度信号207。
在本发明的优选实施例中，该梯度定向话筒系统在线221上的差值信号具有由方向性图型231表示的一阶梯度。方向性图型231最好具有由平衡的8字表示的双定向敏感性。
第二梯度确定器203具有同样的结构，并分别对在线111和113上的第二和第三电信号执行类似功能，在线209上产生第二梯度信号。
第三梯度确定器205通常包括一个减法器229，从第一梯度信号207中减去线209上的第二梯度信号，然后在线131上产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
图3示出图1的本发明梯度定向话筒系统100中所使用的处理器107的各话筒信号109、111、113的电信号处理过程的方框图。处理器107通常包括第一、第二、第三、第四、第五和第六放大器301、303、305、307、309、311、第一、第二和第三积分器313、315、317、以及一个求和器319。很明显，图3所示的处理器107其中每个单元都是本领域公知的技术，因此，除为便于理解本发明所作说明之外不再赘述。
第一、第二和第三放大器301、303、305以第一常数K1分别放大第一、第二和第三电信号109、111、113，分别在线321、323和325上产生第一、第二和第三放大的信号。第一常数K1正比于声音速度与相邻话筒之间距离的比值。第一积分器313对线321上的第一放大的信号积分，在线327上产生第一积分的信号。第二积分器对线323上的第二放大的信号积分，在线329上产生第二积分的信号。第三积分器317对线325上的第三放大的信号积分，在线331上产生第三积分信号。第四放大器307以常数K2对线109上的第一电信号放大，在线333上产生第四放大的信号。第五放大器309以常数K3对线113上的第三电信号放大，在线335上产生第五放大的信号，K3具有与第二常数K2相反的符号。第六放大器311对线329上的第二积分的信号放大，在线337上产生第六放大的信号。求和器319对线327上的第一积分的信号、线333上的第四放大的信号、线337上的第六放大的信号、线331的第三积分的信号和线335上的第五放大的信号求和，在该处理器107的线131上产生输出信号。
图4示出图1的本发明梯度定向话筒系统100中所使用的处理器107的经济实施的方框图。图4所示的梯度定向话筒系统通常包括第一反相放大器401、第一求和器403、衰减器405、反相衰减器406、一个放大器409、积分器411、以及第二求和器413。很明显，图4所示的处理器107其中每个单元都是本领域公知的技术，因此除为便于理解本发明而说明之外不多赘述。
第一反相放大器401将线111上的第二电信号的幅度反相，该第二电信号的幅度分别正比于线109和113上的第一和第三电信号幅度，并对线111上的第二电信号放大，在线415上产生反相的放大信号。第一求和器403对线109上的第一电信号、线113上的第三电信号和线415上的第一反相的放大信号求和，在线417上产生第一求和信号。衰减器405对线109上的第一电信号衰减，在线419上产生衰减的信号。反相衰减器407对线113上的第三电信号衰减，并对线113上第三电信号的幅度反相，在线421上产生反相的衰减信号，第三电信号的幅度正比于线109上的第一电信号的幅度。放大器409以常数K放大线417上的第一求和的信号，在线420上产生放大的信号。常数K代表正比于声音速度与相邻话筒之间距离比值的放大器409的增益。积分器411对线420上的放大的信号积分，在线423上产生积分的信号。求和器413对线419上的衰减的信号、线421上的反相的衰减信号和线423上的积分信号求和，在线131上产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
图4所示的处理器107的优点是与图2和3所示的处理器107以及现有技术的处理器相比，复杂性降低了。
图5示出利用图1的本发明梯度定向话筒系统100的通信系统500。通信系统500通常包括图1所示的梯度定向话筒系统100，与发射机501相耦合。声压源117在梯度定向话筒系统100的方向上产生声压115。具体地说，该声压115以零度入射角133直入该梯度定向话筒系统100，如方向性图型141所示。梯度定向话筒系统100包括第一、第二和第三输入端口503、505、507，用以分别接收第一、第二和第三话筒101、103、105的声压115。梯度定向话筒系统100利用处理器107处理从三个端口503、505和507的输入，产生输出信号131。输出信号131耦合到发射机501上，该发射机把线509上的输出信号131发送出去。
在优选的实施例中，通信系统500是一个无线电话系统，其中梯度定向话筒系统100代表一个免提的话筒，而发射机501代表无线电话机电路的一部分。另一种可替换的方案是，该通信系统500也可代表一个调度通信系统，其中梯度定向话筒系统100代表桌上话筒，发射机501代表接收陆线电话网的一个控制器。再一种可替换的方案是，通信系统500还可代表一个助听器，其中梯度定向话筒系统100从远离的一个用户的一个特定方向接收声音，发射机501处理输入到用户耳朵的那些声音。
据此，本发明提供一种梯度定向话筒系统及其方法。使用本发明，梯度定向话筒系统的大小和复杂性比现有技术显著地降低了。这些优点一般地由具有三个话筒的梯度定向话筒系统提供，其信号以一种独特的方式来处理。利用本发明，可使现有技术的梯度定向话筒系统的尺寸大和复杂性高的问题显著地得已解决。
虽然上文已对照示例性的实施例描述了本发明，但这并不意味着把本发明限制在这些具体的实施例上。本领域的技术人员知道，在不脱离如所附权利要求书提出的本发明的精神和范围，可进行变化和修改。
权利要求
1.一种梯度定向话筒系统，其特征在于，包括三个话筒，每个话筒具有对三个话筒基本上相同的梯度阶和频率响应，响应在每个话筒的声压，每个话筒产生一个电信号，和一个处理器，被连接用以接收来自每个话筒的电信号，并在工作时为该梯度定向话筒系统产生一个输出信号，该梯度定向话筒系统。具有比该三个话筒之中每个话筒的梯度阶高至少两个梯度阶。
2.根据权利要求1的梯度定向话筒系统，其特征在于，所述的三个话筒中的每个话筒产生的电信号包括相应于第一、第二及第三话筒的第一、第二及第三电信号，所述的处理器进一步包括第一梯度确定器，被耦合用以接收第一和第二电信号，在工作时产生第一梯度信号；第二梯度确定器，被耦合用以接收第二和第三电信号，在工作时产生第二梯度信号；和第三梯度确定器，被耦合用以接收第一和第二梯度信号，并在工作时产生输出信号。
3.根据权利要求2的梯度定向话筒系统，其特征在于，第一梯度确定器进一步包括一个减法器，从第一电信号中减去第二电信号，产生一个差值信号；一个平均器，平均第一和第二电信号，产生一个平均信号；一个放大器，放大该差信号，产生放大的信号；一个积分器，对放大的信号积分，产生一个积分信号；和一个求和器，对积分的信号和平均的信号求和，产生第一梯度信号。
4.根据权利要求2的梯度定向话筒系统，其特征在于，第二梯度确定器进一步包括一个减法器，从第二电信号中减去第三电信号，产生一个差信号；一个平均器，平均第二和第三电信号，产生一个平均信号；一个放大器，放大该差信号，产生一个放大的信号；一个积分器，积分该放大的信号，产生一个积分的信号；和一个求和器，对该积分的信号和该平均的信号求和，产生第二梯度信号。5.根据权利要求2的梯度定向话筒系统，其特征在于，第三梯度确定器进一步包括一个减法器，从第一梯度信号中减去第二梯度信号，产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
6.根据权利要求1的梯度定向话筒系统，其特征在于，三个话筒的每个话筒产生的电信号包括相应于第一、第二和第三话筒的第一、第二和第三电信号，所述的处理器进一步包括第一反相放大器，用以对第二电信号的幅度反相，所述的第二电信号的幅度与第一和第三电信号的幅度有关，和放大第二电信号，产生一个反相的放大信号；第一求和器，对第一电信号、第三电信号和第一反相的放大信号求和，产生第一和信号；一个衰减器，衰减第一电信号，产生一个衰减的信号；一个反相衰减器，将第三电信号的幅度反相，该第三电信号的幅度与第一电信号幅度有关，并衰减第三电信号，产生一个反相的衰减信号；一个放大器，具有正比于声音速度与相邻话筒间距离之比值的增益，用于放大第一求和信号，产生一个放大的信号；一个积分器，对放大的信号积分，产生一个积分的信号；和第二求和器，对该衰减的信号、该反相的衰减信号和该积分的信号求和，产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
7.根据权利要求1的梯度定向话筒系统，其特征在于，由三个话筒的每个话筒产生的电信号包括相应于第一、第二和第三传声器的第一、第二和第三电信号，和该处理器进一步包括第一、第二和第三放大器，以第一常数分别放大第一、第二和第三电信号，分别产生第一、第二和第三放大的信号，该第一常数正比于声音速度与相邻话筒间的距离的比值；第一、第二和第三积分器，分别地积分第一、第二和第三放大信号的每个信号，分别产生第一、第二和第三积分的信号；第四放大器，以第二常数放大第一电信号产生第四放大的信号；第五放大器，以第三常数放大第三电信号，产生第五放大的信号，该第三常数具有与该第二常数相反的信号；第六放大器，以第四常数放大该第二积分的信号，产生第六放大的信号；和一个求和器，对第一与第三积分的信号、和第四、第五及第六放大的信号求和，产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
8.一种操作具有三个话筒的梯度定向话筒系统的方法，每个话筒具有对三个话筒基本上相同的梯度阶和频率响应，每个话筒产生一个电信号，该电信号响应于在每个话筒的声压，其特征在于，该方法包括以下步骤处理来自每个话筒的电信号，产生对于具有比三个话筒的每个话筒的梯度阶高至少两个梯度阶的一个梯度阶的梯度定向话筒系统的输出信号。
9.根据权利要求8的操作该梯度定向话筒系统的方法，其中由三个话筒的每个话筒产生的电信号包括相应于第一、第二和第三话筒的第一、第二和第三电信号，和其中处理步骤进一步包括以下步骤响应第一和第二电信号确定第一梯度信号，响应第二和第一电信号确定第二梯度信号；响应第一和第二梯度信号确定该梯度定向话筒系统的输出信号。
10.根据权利要求8操作该梯度定向话筒系统的方法，其中由三个话筒的每个话筒产生的电信号包括相应于第一、第二和第三话筒的第一、第二和第三电信号，和其中处理步骤进一步包括以下步骤反相与第一及第三电信号幅度相关的第二电信号幅度，和放大第二电信号，产生一个反相的放大信号；对第一电信号、第三电信号和第一反相的放大信号求和，产生第一和信号；衰减第一电信号，产生一个衰减的信号；反相相应于第一电信号的幅度的第三电信号幅度，和衰减第三电信号，产生一个反相的衰减信号；以一个增益放大第一和信号，产生一个放大的信号，该增益正比于声音速度与相邻话筒间距离的比值；对放大的信号积分，产生一个积分的信号；和对该衰减的信号，反相的衰减信号和该积分信号求和，产生该梯度定向话筒系统的输出信号。
全文摘要
一种梯度定向话筒系统(100)和方法，包括三个话筒(101、103、105)和一个处理器(107)。三个话筒(101、103、105)的每个都具基本上相同的梯度阶(135、137、139)和频率响应。响应在每个话筒(101、103、105)的声压(119、121、123)，每个话筒产生一个电信号(109、111、113)。该处理器(107)被耦合用以接收来自每个话筒(101、103、105)的电信号(109、111、113)。并在工作时对具有比三个话筒(101、103、105)的每个话筒梯度阶(135、137、139)高至少两个梯度阶的一个梯度阶(141)的梯度定向话筒系统(100)产生输出信号。利用本发明可使梯度定向话筒系统(100)的大小和复杂性比现有技术显著地降低。
文档编号H04R1/40GK1116036SQ94190851
公开日1996年1月31日 申请日期1994年9月29日 优先权日1993年11月1日
发明者韦恩·哈尔·布拉德利, 理查德·厄尔·沃纳 申请人:摩托罗拉公司