一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器的制造方法
【专利说明】
[0001 ] 技术领域:
[0002]本实用新型涉及安防监控领域，尤其涉及一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器。
[0003]【背景技术】:
[0004]传统的安防拾音器一般包括一个全向或心形指向的驻极体麦克风，驻极体麦克风实现音频信号到电信号的转换，然后通过一级或者两级模拟电路放大，低通或带通滤波后模拟输出。
[0005]市面上也有一些拾音器包括两个驻极体麦克风，一个驻极体麦克风灵敏度比较高，负责自由远场的拾音，另外一个驻极体麦克风灵敏度比较低，负责近场背景噪声的拾音，然后通过模拟电路控制相位，同向叠加来抑制背景噪声。
[0006]这些拾安防音器存在如下缺陷:
[0007](I)在实际应用中，周围环境存在较大的背景噪声，通过模拟降噪的方法不能有效地降低整个频段的噪声，甚至将声音的高频部分损失，造成输出的信号质量不高。
[0008](2)由于选用的驻极体麦克风保真度较低，加上滤波电路造成的相位延时，输出的声音信号与实际声音存在差别。不能满足安防语音监控清晰度的要求。
[0009](3)拾音范围较小，完全取决于驻极体麦克风的灵敏度，一般只能做到1m范围内的拾音。驻极体麦克风随着使用时间的增加，灵敏度会衰减而降低拾音距离。由于拾音范围的限制，拾音器一般吊在房间天花板中间位置，声孔指向音源，靠近关键区域。而摄像头覆盖区域比较大，安装在房间顶部一角，拾音器和摄像头距离较远，布线较为复杂。
[0010](4)功能比较单一，只有音频的拾音和放大作用，难以实现一些特定功能应用，例如环境噪声抑制、波束成形和波束指向性等。
[0011]【实用新型内容】:
[0012]为了解决上述问题，本实用新型提供了利用麦克风线性阵列增强技术，提供一种采集声音清晰度高、降噪效果好、拾音距离远、具有指向性的拾音器的技术方案:
[0013]—种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，包括麦克风阵列单元、音频编码单元、DSP处理单元和音频输出单元，麦克风阵列单元与音频编码单元导通，音频编码单元与音频输出单元以并行方式与DSP处理单元连接。
[0014]作为优选，麦克风阵列单元包括4个MEMS咪头，4个MEMS咪头在电路板上直线排布形成麦克风线性阵列，相邻MEMS咪头的中心距为20 ± 0.1mm。
[0015]作为优选，MEMS咪头的灵敏度为-40dB±0.5dB，频率响应为10Hz - ΙΟΚΗζ，长度为3.76mm，宽度为2.95mm，信噪比不小于60dB。
[0016]作为优选，音频解码单元采用集成IC芯片NAU85L40，NAU85L40最大支持48KHz采样，系统采用16KHz采样率，24bit采样精度。
[0017]本实用新型的有益效果在于:
[0018](I)本实用新型利用麦克风线性阵列增强技术实现的指向性拾音器，在差分波束形成是频不变波束形成算法，重建后的语音信号在人耳敏感的区域频率成分无变化，所以重建后的语音信号清晰度高，可满足一些关键区域的高质量语音监控需要。
[0019](2)本实用新型中拾音器的4个麦克风咪头对同向音频信号进行叠加，指向性好，拾音距离远，有效拾音距离可达20米以上。
[0020](3)实用新型与单个模拟拾音器相比，由于麦克风线性阵列接收的声音信号已经数字化，可以被进一步处理，还可以进行声源分离、解混响以及声源定位和声源追踪等特定功能应用。
[0021](4)实用新型中拾音器除可以使用传统的模拟音频接口和摄像头配合实现音视频的同步记录，还可以使用USB数字音频接口，USB数字音频接口避免摄像头AD或Codec芯片二次采样带来的电路噪声，提高摄像头端音频信号的信噪比。
[0022]【附图说明】:
[0023]图1为本实用新型的结构不意图；
[0024]图2为麦克风阵列单元结构示意图；
[0025]图3为麦克风咪头理想波束图；
[0026]图4为本实用新型的咪头波束图。
[0027]【具体实施方式】:
[0028]为使本实用新型的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。
[0029]如图1所示，本实用新型设计了一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，包括麦克风阵列单元1、音频编码单元2、DSP处理单元3和音频输出单元4，麦克风阵列单元I与音频编码单元2导通，音频编码单元2与音频输出单元4以并行方式与DSP处理单元3连接。麦克风阵列单元I对麦克风咪头灵敏度的一致性要求比较高，要求灵敏度偏差不超过ldB，而一般咪头生产厂家出厂标准是±3dB或者±ldB，本方案对厂家供货的咪头一致性进行挑选，挑选灵敏度偏差不超过IdB的组装在一块电路板上。咪头灵敏度偏差比较大会影响波束形成后的效果，造成指向性偏差。
[0030]其中的麦克风阵列单元I如图2所示，包括4个MEMS咪头5，4个MEMS咪头5在电路板6上直线排布形成麦克风线性阵列，相邻MEMS咪头6的中心距为20 ± 0.1mm。并且MEMS咪头6的灵敏度为_40dB±0.5dB，频率响应为10Hz -1OKHz，长度为3.76mm，宽度为2.95mm，信噪比不小于60dB。
[0031]音频解码单元2采用集成IC芯片NAU85L40，NAU85L40最大支持48KHz采样，系统采用16KHz采样率，24bi t采样精度，音频信号首先通过PGA放大，然后输入到AD进行模数转换，ALC环节实现PGA增益自动地随音频输入信号强度而调整，ALC能随时跟踪、监视PGA输出的音频信号电平，当输入信号增大时，ALC电路自动降低PGA的增益；当输入信号减小时，ALC电路自动增大PGA的增益，以使采集到的信号保持在最佳电平。NAU85L40通过TDM总线和DSP的McASPO接口对接，4个通道的音频信号通过时分复用的方式输入到DSP。
[0032]DSP处理单元3是整个拾音器的核心，首先DSP以dMAX方式接收TDM总线的数据，然后按照1/4的交叠率将阵列中4个麦克风接收到的信号分割成彼此重叠的信号帧，然后利用256点的短时傅里叶变换将这些信号帧的数据从时域转变换到频域。在每一个短时傅里叶变换的子带上设计一个差分波束，其中差分波束形成的滤波系数预先通过求解由零点约束的线性方程组来获得。利用设计好的差分波束形成器对4个麦克风的短时傅里叶变换系数进行滤波，以达到在子带上消除噪声并估计期望信号的目的。最后，利用重叠相加求和，然后通过256点的短时傅里叶反变换将估计的信号转换到时域，得到重建后的语音信号。
[0033]麦克风线性阵列所采用的麦克风咪头均为全向性咪头，360°拾音效果相同，理想波束图等效为圆形，如图3所示。通过设计不同的约束得到差分波束形成系数，进而控制4个麦克风在某一期望方向上可以同向叠加，使拾音器在该方向上增强，而对其它方向上产生较小的响应，形成指向性拾音器。本方案采用心形指向设计，波束图如图4所示。
[0034]重建后的语音信号同样通过dMAX方式发送给DSP的McASPl接口。音频输出单元通过IIS总线连接DSP的McASPl接口，通过IIS Bus Buffer驱动成两路IIS总线，IISl总线连接DA音频模拟输出，IIS2总线连接USB音频数据输出。
[0035]DA首先将音频数字信号转换为模拟信号，然后输出到OPA长线驱动单元，OPA长线驱动单元将模拟信号放大，并实现6000hms非平衡输出，0ΡΑ长线驱动单元同时接RCA插孔输出和3.5mm耳机插孔输出。拾音器提供两种插孔连接方式，以满足安防监控现场不同的接线需求。USB音频数据输出采用集成USB to IIS Bridge芯片CP2114接收IIS总线数据，转换成USB包，实现音频信号的USB异步传输。本方案中将拾音器虚拟成PC标准USB声卡，利用标准录音软件例如Adobe Audit1n等即可录音，实现音频信号的数字传输。
[0036]本实用新型利用麦克风线性阵列增强技术实现的指向性拾音器，具有以下优点:
[0037](I)差分波束形成是频不变波束形成算法，重建后的语音信号在人耳敏感的区域频率成分无变化，所以重建后的语音信号清晰度高，可满足一些关键区域的高质量语音监控需要。
[0038](2)拾音器的4个麦克风咪头对同向音频信号进行叠加，指向性好，拾音距离远，有效拾音距离可达20米以上。
[0039](3)与单个模拟拾音器相比，由于麦克风线性阵列接收的声音信号已经数字化，可以被进一步处理，还可以进行声源分离、解混响以及声源定位和声源追踪等特定功能应用。
[0040](4)拾音器除可以使用传统的模拟音频接口和摄像头配合实现音视频的同步记录，还可以使用USB数字音频接口，USB数字音频接口避免摄像头AD或Codec芯片二次采样带来的电路噪声，提高摄像头端音频信号的信噪比。
[0041]上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。
【主权项】
1.一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，其特征在于:包括麦克风阵列单元、音频编码单元、DSP处理单元和音频输出单元，所述麦克风阵列单元与音频编码单元导通，所述音频编码单元与音频输出单元以并行方式与DSP处理单元连接。2.根据权利要求1所述的一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，其特征在于:所述麦克风阵列单元包括4个MEMS咪头，4个MEMS咪头在电路板上直线排布形成麦克风线性阵列，相邻MEMS咪头的中心距为20 ± 0.1mm。3.根据权利要求2所述的一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，其特征在于:所述MEMS咪头的灵敏度为-40dB±0.5dB，频率响应为10Hz -1OKHz，长度为3.76mm，宽度为2.95臟，信噪比不小于60(^。4.根据权利要求1所述的一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，其特征在于:所述音频解码单元采用集成IC芯片NAU85L40，所述NAU85L40最大支持48KHz采样，系统采用16KHz采样率，24b it采样精度。
【专利摘要】本实用新型涉及了一种麦克风线性阵列增强指向性拾音器，具有8个驻极体咪头的线性阵列拾音器，应用于监狱看守所等政法机关的监舍录音监控、安防监控。凭借8个驻极体咪头线性排列，声孔同向布置的特定设计，通过声波抵达阵列中每个咪头之间的微小时差的相互作用，形成算法可控的指向性。利用咪头线性阵列具有对远场干扰噪声很强的抑制功能，噪声环境下具有良好的信号采集性，改善拾音器的声学效果。内置降噪算法极大的降低了环境、电路等因素导致的噪音。可满足监狱看守所等政法机关关键区域的高质量语音监控，实现对突发情况的语音信息全记录，以便事后可靠的追溯。可靠的语音监控对安装区域的治安、反恐、防爆等具有重要意义。
【IPC分类】H04R19/04
【公开号】CN205249484
【申请号】CN201521118423
【发明人】葛冉, 陈景东, 俞波
【申请人】临境声学科技江苏有限公司
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月30日