合成麦克风信号的方法

专利名称：合成麦克风信号的方法
技术领域：
本发明涉及一种合成来自一致性麦克风装置的麦克风信号的方法，其中，麦克风 装置包括至少两个压力梯度换能器，压力梯度换能器的方向特性包括全方向部分和8字形 部分，并且其具有最大敏感度方向，即，主方向，其中，压力梯度换能器的主方向相对于彼此 相互倾斜。本发明还涉及一种麦克风装置，包括至少两个压力梯度换能器，每个压力梯度 换能器具有振膜，每个压力梯度换能器具有通向振膜的前面的第一声音入口，以及通向振 膜的背面的第二声音入口，并且其中，每个压力梯度换能器的方向特性包括全方向部分和8 字形部分，其具有最大敏感度方向，即，主方向。
背景技术：
US 4，262，170中公开了一种前文所述的麦克风装置。麦克风被布置成尽可能彼此 接近，其方向特性符合公式E = K+(l-k)cos θ，使得最大敏感度方向指向方位角周围的不 同方向。这样的布置被用于记录周围的声音，但也有缺陷，即，不能最优地满足一致性条件。在声场麦克风(有时候也称为B格式麦克风)中也会出现类似的问题，这在US 4，042，779Α(或者对应的DE 2531161C1)中进行了描述，此说明书的全部内容通过引用结 合在本文中。这种麦克风由四个压力梯度换能器组成，其中，各个换能器被布置在四面体 中，使得各个换能器的振膜大致并行于假想四面体表面。通过扩展各个换能器，在振膜和四 面体中心之间总是会必然存在间隙，从而严重削弱了一致性。另一个缺陷在于各个换能器 对彼此施加的遮蔽效应(shadowing effects)。DE 4498516C2公开了一种三个麦克风沿着直线排列的麦克风阵列，其中，三个麦 克风彼此的间隙超过2. 5cm。这种排列不存在一致性，并且，也没有希望得到一致性。EP 1643798A1公开了一种在外壳中容纳了两个边界麦克风的麦克风。边界麦克风 的特征在于，通向振膜前部的声音入口以及通向振膜后部的声音入口都位于换能器的同一 个表面内，即，所谓的边界。通过将两个声音入口 a和b都布置在换能器的同一侧，实现了 相对于振膜的轴不对称的方向特性，例如，心型曲线、超心型曲线等。EP 1351549A2和对应 的US 6，885，751A中详细描述了这样的换能器，其全部内容以引用方式结合在本文中。EP 1643798A1描述了一种布置，其中，一个换能器被布置在另一个换能器之上，其 声音入口或者彼此相对或者彼此偏离。此系统用于噪声抑制，但是不能适当地合成有用的 声音方向，从而，包含在总信号中的非期望的干扰噪声是不可接受的。在诸如车辆、驾驶舱等具有高强度背景噪声的环境中，通常难以用足够高的质量 来记录有用的信号。在很多情况下，信噪比(SNR)太低，不能在处于高声环境中的对话各方 之间实现可靠的通信。另一方面，有些系统尝试记录或估计背景噪声的质量和幅度，并相 应地从全部的接收信号中将其减去，从而剩下的大致是有用信号。另一种方法利用麦克风 或多个麦克风装置可以为最终形成的信号形成方向特性，从而仅记录了语音端或所接收的 (有用的)声源。然而，噪声环境中的语音传输质量仍然不够好，导致了干扰背景散射、不真 实的语音和音乐及诸如时间延迟、损失、回声等其它典型产物的不真实的声音，从而，急切需要对该问题的更好的解决方案。WO 2006/125869A1公开了一种利用具有8字形方向特性的双振膜声学换能器来 记录并回放声学信号的方法。单个振膜A和B的信号彼此相减，并在并行的步骤中彼此相 加。和信号A+B具有全方向的方向特性，并且同时存在具有“8字形”特性的信号。利用 FFT (快速复里叶变换)将这样组合的两个信号变换至频域，并经过频谱减法后将其馈送到 输出信号。现在，输出信号的方向特性具有平坦圆盘的形式，就像窄圆环一样，中心处凹进。 这样合成的方向特性将可以消除圆盘外部的背景噪声，即，将要被消除的来自向圆盘平面 倾斜更强的方向的噪声，但是，其具有2 π敏感度，将记录来自圆盘平面方向的未经弱化的 任何干扰噪声。利用此方法不能实现专门用于单个人员或者其它有用的声源的调整。在一种变化(图18b)中，第二双振膜换能器用于在作为方向特性的平面中形成圆 盘，此平面与利用第一换能器所记录的平面正交。利用此几何布置将第二或第三振膜换能 器系统相关联，然而，却丢失了整个换能器布置的一致性，这在严格受限的频率范围内将变 得很明显。通过利用频谱减法结合这两个信号，产生哑铃形状的信号，其在空间上更强烈地 限制了敏感度方向，但同时仍然记录来自有用方向的相反方向的噪声(干扰噪声)。此方法仅可以应用于两个振膜或所使用的两个麦克风性质完全相同的情况，只有 在非常昂贵的特殊生产中才能保证这一点。批量生产中的普通制造容限导致不同的麦克风 性质，从而不能使用上述方法。即使频率响应和方向特性中存在最轻微的偏差也将使得各 个信号相对于彼此产生失真，并且此误差将在信号组合期间出现不可预料的扩散。此方法的另一个缺陷是集束(bundling)不足以记录有用的声源，从而总信号中 的背景噪声变得可忽略，即，不再有干扰效应。并且还被证明在生成麦克风信号期间产生了 伪声，这主要是因为频谱减法被施加在对应的数值频谱上，却没有考虑相位信息。这导致所 感知的声音不真实，并且承载了噪声，尤其在高反响时的空间中。Ihle等在2000年9月22-25日在加利福尼亚州洛杉矶召开的AES-Article第109 次会议白勺文章"A novel noise suppression algorithm using a very smallmicrophone array”中公开了一种利用非常小的麦克风阵列进行噪声抑制的算法。此阵列由布置在等边 直角三角形的三个角上的平面中的三个全方向麦克风组成。对应的麦克风的数字化信号相 互组合，以产生两个梯度信号。从其它两个麦克风信号中减去位于三角形直角处的麦克风 的信号。尝试根据这些梯度信号的短时间复利叶变换对背景噪声的功率谱密度(PSD)进行 估计，以便从总信号中将其减去。改变将要减去的背景噪声的空间方向性区域，从而可以任 意旋转有用的信号方向。然而，已经证明，对有用信号集束不足以消除总信号中的干扰噪声，并且所感知的 声音不真实、具有金属感。于是，需要设计一种麦克风装置和一种可生成低噪声、精确指向有用声源的输出信 号的方法。在噪声环境中进行安装和调节应当尽可能的简单和划算，并且空间需求应当较低。 具体地，可以毫无困难地使用批量生产的换能器，它们的制造容限不会对输出信号的质量施 加显著影响。此外，希望麦克风装置为用于在很多应用区域中的车辆提供多样化的可能性。

发明内容
利用上述类型的方法实现这些目标，其中，从两个压力梯度换能器的信号开始，形成差信号及和信号，并且，由差信号及和信号推导出来的信号被变换到频域，独立于它们的 相位，通过频谱减法相减，并且，在所形成的信号被变换回所希望的时域之前，为其赋予源 自和信号的信号的相位。利用上述类型的麦克风装置，利用引言中提到的类型的方法实现此目标，其中，提 供了边界，在边界上安放压力梯度换能器，压力梯度换能器的主方向的投影在边界中相互 倾斜，并且，压力梯度换能器的声学中心位于假想球体之内，此球体的半径对应于压力梯度 换能器的振膜的最大维度的两倍。最后一个标准确保所有换能器的必需的一致位置。在更优选的实施例中，压力梯 度换能器的声学中心位于假想球体内部，此球体的半径对应于换能器的振膜的最大维度。 通过将声音入口移动到一起来增加一致性，可以实现特别的结果。通过将换能器安放在边界上，能够消除或减少在没有边界(例如，可用的频率范 围)的一般情况下严重限制应用区域的所有遮蔽效应。在麦克风装置中还获得了根据本发明的一种解决方案，其中，麦克风装置至少包 括两个压力梯度换能器，其各自具有振膜和换能器外壳，各个压力梯度换能器具有第一声 音入口，其通向振膜的前面，以及第二声音入口，其通向振膜的背面，并且，其中，各个压力 梯度换能器的方向特性包括全方向部分和8字形部分，其特征在于，压力梯度换能器中的 第一和第二声音入口被安放在同一侧，换能器外壳的前部以及压力梯度换能器的前侧基本 位于一个平面中，并且，压力梯度换能器的主方向的投影在此平面中相互倾斜，压力梯度换 能器的声学中心位于假想球体之内，此球体的半径对应于压力梯度换能器的振膜的最大维 度的两倍。在后一种目标中，由于在这种情况下边界的功能由几乎平坦安放的换能器的前部 所承担，因此，可以忽略边界。然而，其发明概念与提供了边界的布置相同。根据本发明的布置表示至少两个梯度换能器的一致性布置。在根据发明的方法 中，利用线性滤波将至少一个单独的信号变换为中间信号，以便相互调整单独的梯度换能 器的不同的频率响应(例如，由制造容限所导致的)。现在，根据可选的线性滤波后的梯度 信号形成减法信号(或，差信号)以及和信号。例如，利用FFT(快速复利叶变换)和后续的 频谱减法，将这些信号变换到频域，实现整个频率范围上的一致集束，这比仅有梯度换能器 的结果要高得多。此外，利用一致性布置实现对干扰噪声的抑制，以作为风湍流(turbulent wind flow)的结果。根据本发明的整个声学系统的方向效应(集束程度)的增加，尤其对于语音传输， 能够承担仅可由所谓的二阶声学系统实现的数值。然而，这样的系统需要至少12个换能 器，例如，第二阶的声场麦克风，如论文“On the theory of a second-order soundfield microphone ”(## Phi lip S. Koterel, BSC, MSC, ANIEE, Department of Cybernetics, 2002 年2月)中描述的那样。尽管需要12个单独的换能器来产生二阶信号，但是，利用两个换 能器，本发明就已经能够工作了。可以利用其它的梯度换能器自然地扩展根据本发明的布 置。另一个方面涉及防风保护，这已经在已有技术中利用非编织材料、泡沫等实现了， 或者通过电气麦克风信号另外的滤波实现，通常利用高通滤波器，其最小化低频风噪声的 影响。利用本发明，进一步，无需已有技术中已知的“防风保护”方法，已经实现了利用非编
6织和滤波进一步改进的防风保护。


以下参考附图进一步描述本发明。附图中图IA示出根据本发明的麦克风阵列，其由两个梯度换能器组成；图IB示出图IA的各个换能器的方向特性；图IC示出根据本发明的麦克风装置，其由三个梯度换能器组成；图ID示出图IC的各个换能器的方向特性；图2A示出根据本发明的麦克风装置的变形；图2B示出另一种变形，其中，压力梯度换能器在公共外壳的内部；图2C和2D示出边界处的布置；图2E示出边界中嵌入的换能器；图2F示出换能器相对于边界的朝向；图3示出一种梯度换能器，其中，声音入口在换能器外壳的相反面；图4示出一种梯度换能器，其中，声音入口在能唤器外壳的相同侧；图5示出根据本发明的信号处理单元的框图；图6详细示出频谱减法单元的框图；图7示出三个换能器的方向特性以及可能的有用声音方向；图8示出根据图5的信号的组合方向特性；图9A、9B、9C示出根据本发明的麦克风装置、方向特性及处理期间的中间信号；图10示意性示出一致性的概念。
具体实施例方式图IA示出根据本发明的麦克风装置10，其由两个压力梯度换能器1、2制 成。压力梯度换能器的方向特性由全方向部分和8字形部分组成。实质上，可以用 Ρ(θ) =k+(l-k)Xcos(6)来表示此方向特性，其中，k表示角度无关的全方向部分，而 (1-k) Xcos(9 )表示角度相关的8字形部分。以下进一步处理对方向特性的另一种数学描 述。根据图IB中描绘的单个换能器的方向性分布，这种情况涉及具有心形特性的梯度换能 器。然而，原理上，可以设想根据球形和8字形得到的所有梯度，例如，超心形曲线。图中示出的实际例子中的梯度换能器1、2位于一个平面上，其中，它们的主方向， 即，最大敏感度的方向以方位角φ彼此相互倾斜。原理上，任何类型的梯度换能器都适于实 施本发明，但是，所描述的变形尤其优选，因为，其包括平坦换能器，即，所谓的边界麦克风， 其中，两个声音入口位于相同侧表面，即，边界上。图IC示出一种实际例子，由在平面中布置的三个梯度换能器1、2、3组成，它们的 主方向lc、2c、3c彼此倾斜，成120°角。主方向，即，最大敏感度方向，指向布置(图1D)的 公共中心区域。和前述实际例子一样，也存在梯度换能器，其中两个声音入口被布置在换能 器外壳的相同侧，从而所有开口位于一个平坦表面上。前部声音入口 la、2a、3a再次位于中 心区域，优选地，位于中心周围的假想的内部圆上；后部的声音入口 lb、2b、3b位于外部圆 上，优选地，与内部圆同心。各个换能器1、2、3彼此尽量靠近，以便实现可能的最佳的一致性。三个梯度换能器的此种布置满足了对于最佳可能一致性的需要。这种布置还使得 压力梯度换能器的声学中心位于假想球体以内，此球体半径对应于压力梯度换能器的振膜 的最大维度的两倍。这也在此实际例子中产生了最优的三角形布置。由于边界麦克风中的 声学中心位于第一声音入口的区域中，可以将以上形成的一致性条件转移到第一声音入口 的位置。图3和图4示出了“普通”梯度换能器和“平坦”梯度换能器之间的差异。前者中， 如图3所示，声音入口 “a”被安置在换能器外壳4的前部，而第二声音入口 “b”被安置在换 能器外壳4的相反的背面。前部声音入口“a”连接到振膜5的前部，其在振膜环6上延伸， 而后部声音入口“b”连接到振膜5的背面。箭头示出通向振膜5的前部和后部的声波的路 径。在电极7后面的区域中，在多数情况下会发现声学摩擦装置8，可以用压缩物、非编织物 或者泡沫的形式设计此装置。在图4的平坦梯度换能器中，也即边界麦克风中，在换能器外壳4的前部同时提供 声音入口 a、b，其中，经由声音信道9，一个通往振膜5的前部，另一个通往振膜5的后部。 此换能器的优势包括，其可以结合在边界11中，例如，车辆中的控制台，并且，基于声学摩 擦装置8，例如，非编织物、泡沫、压缩物、有孔盘等被安放在与振膜5相邻的区域中的事实， 可以得到非常平坦的设计。通过将两个声音入口 a、b安放在换能器的同一侧，实现了与振膜不对称的方向特 性，例如，心形、超心形等。在EP 1351549A2和对应的US6，885，751A中详细描述了这样的 换能器，其内容以引用方式全部包括在本文中。对于所有的换能器，振膜的前部都是声音可以相对无阻碍地到达的那一侧，然而， 声音仅可在通过声学相位旋转元件之后才能到达振膜的后部。通常，到前部的声音路径比 到后部的声音路径短。回到图IA所示的根据本发明的麦克风装置，此特殊特征包括，梯度换能器1、2彼 此朝向相对，使得通往对应振膜前部的声音入口 Ia和2a尽可能的相互靠近，然而，通往振 膜的后部的声音入口 lb、2b位于装置的外围。在后续解释中，从麦克风装置的中心观察，考 虑将前部声音入口 Ia和2a连接到后部声音入口 Ib和2b的延长连接线的交叉点。因此， 两个换能器1和2的前部声音入口 Ia和2b，也称为送话口，被安放在装置的中心区域。通 过这种简便措施可以显著增加两个换能器的一致性，并且根据如下的实际例子，也可以使 用三个梯度换能器。图1C、2A、2B和2E中示出3个梯度换能器的实际例子，并且以下进行详细描述。然 而，以下关于一致性条件的陈述，也可适用于这些布置。产生一致性的原因是，因为梯度换能器1、2、3的声学中心尽可能的彼此靠近，优 选地，在相同点处。互补换能器的声学中心被定义为当换能器作为声源时发出全方向波的 点。论文"A note on the concept of acoustic center，，,作者 Jacobsen, Finn ;Barrera Figueroa, Salvador ；Rasmussen,Knaud,AcousticalSociety of America Journal,Volume 115, Issue 4，pp. 1468-1473(2004)研究了确定声源声学中心的各种方法，包括基于偏离逆 距离定律的方法以及基于相位响应的方法。通过对电容型麦克风的实验结果阐释此考虑。 此论文的内容以引用方式结合在本文中。
可以通过在小空间区域中，S卩，观察点，沿着某方向在离开换能器某距离处以某频 率对声学换能器进行正弦激励期间测量球形波波前，来确定声学中心。由有关球形波前的 信息开始，可以得到有关全向波的中心，即，声学中心的结论。在 Salvador Barrera-Figueroa禾口Knud Rasmussen 的论文"The acoustic center of laboratory standard microphones", The Journal of the Acoustical Society of America(美国声学学会杂志)，Volume 120，Issue 5，pp. 2668-2675，中可找到将声学中心 概念应用于麦克风的详细表述，此论文的内容以引用方式结合在本文中。下面给出该论文 中描述的方法，作为确定声学中心的很多可行方法之一对于诸如电容型麦克风的互补换能器，此换能器作为声音发射器还是声音接收器 并没有区别。在上述论文中，利用逆距离定律来定义声学中心
(1)其中，rt是声学中心，ρ是空气密度，f是频率，Mf是麦克风敏感度，i是电流，、 是复波传播系数。此结果仅与压力接收器有关。此结果表明，为平均频率(在IkHz范围内)定义的 中心与为高频定义的中心是偏离开的。这种情况下，将声学中心定义为小区域。为了确定 梯度换能器的声学中心，此处使用了一种完全不同的方法，因为，公式(1)没有考虑近场相 关的依赖。有关声学中心的问题也可以给出如下换能器必须围绕哪个点旋转才能观察到 与观察点处相同的波前相位。在梯度换能器中，可以从旋转对称开始，使得声学中心能够仅位于与振膜平面正 交的直线上。可以通过两次测量来确定任意直线上的确切的点一一最优选地，从0°的主方 向以及从180°方向来进行测量。除了这两次测量的相位响应之外，还可确定频率相关的声 学中心，对于所使用的时间范围内的声学中心的平均估计，最简单的方法是改变换能器在 几次测量之间围绕着旋转的旋转点，使得脉冲响应最大程度地一致(或者，换言之，使得两 个脉冲响应之间的最大相关位于中心内)。换能器现在所具有的属性是，它们的声学中心不是振膜中心，其中，换能器的两个 声音入口位于边界上。声学中心的位置最靠近通向振膜前部的声音入口，因此，在边界和振 膜之间形成最短的连接。声学中心也可以位于换能器外部。本发明的一致标准要求，压力梯度胶囊1、2、3的声学中心101、201、301位于假想 球形O的内部，此球形的半径R是换能器振膜的最大维度D的两倍。在更优选的实施例中，压力梯度换能器的声学中心位于假想球形内部，此球形的 半径对应于换能器振膜的最大维度。通过将声音入口移动到一起以增强一致性，可以实现 特别的结果。图10中示意性示出的优选的一致性条件已经证明是根据本发明的特别优选的换 能器布置为了确保该一致性条件，压力梯度胶囊1、2、3的声学中心101、201、301位于假想 球形0内部，此球形0的半径R等于换能器振膜的最大维度D。利用虚线在图10中指示出 振膜100、200、300的尺寸和位置。可替代地，也可以将此一致性条件定义成，第一声音入口 la、2a、3a位于假想球形 0内部，此球形0的半径等于压力梯度换能器中的振膜的最大维度。在利用最大振膜维度
9(例如，圆形振膜的直径，或者三角形或矩形振膜的边长)确定此一致性条件的同时，振膜 的尺寸确定了噪声距离，因此，代表了声学几何的直接标准。可以很自然地设想到振膜100、 200,300不具有相同的维度。这种情况下，使用最大的振膜确定优选标准。图2A示出本发明的另一种变形，其中，压力梯度换能器并没有被布置在一个平面 上，而是被布置在一个假想全向表面上。实际上，如果在曲面边界上，例如，在车辆的控制台 上布置麦克风排列的声音入口时，就将是这种情况。一方面，曲面的结果是与中心的距离减小(这是期望出现的，因为，声学中心位置 更加靠近在一起)，另一方面，送话口开口因此有些被遮蔽。此外，这改变了单个换能器的方 向特征，从而信号的8字形部分变得更小(由超心型曲线成为心型曲线)。为了不让遮蔽的 负面影响超出控制，优选地，曲率不应该超过60°。换言之压力梯度换能器位于假想锥体 的外部表面上，此锥体的表面线与锥体轴线至少形成30°角。图2B示出了另一种变形，其中，压力梯度换能器1、2、3被布置在公共外壳21内 部，其中，振膜、电极以及单个换能器的安放通过中间墙彼此分开。从外部不再能看到通向 振膜前面的第一声音入口 la、2a、3a以及通向振膜背面的第二声音入口 lb、2b、3b。其中布 置了声音入口的公共外壳21的表面可以是平面(参考根据图IA的布置)或者曲面(参考 根据图2A的布置)。边界本身可以被设计为板式、控制台、壁式、包层等。图IC和ID示出了布置换能器作为边界的可能性。图2C中的换能器在边界20上， 而在图2D中，它们被嵌入边界20中，并且它们的前侧与边界对齐。图2E示出本发明的另一种变形，无需单侧声音入口麦克风即可构建此变形例。在 压力梯度换能器1、2、3的每个中，第一声音入口 la、2a、3a布置在换能器外壳的前部，并且， 第二声音入口 lb、2b、3b布置在换能器外壳的后部。第一声音入口通向振膜的前部，它们彼 此面对，并且再次满足位于假想球体内部的优选要求，其中，此球体的半径等于压力梯度换 能器的振膜的最大维度。三个梯度换能器的主方向指向根据本发明的麦克风装置的公共中 心区域。主方向在基准平面上的投影彼此包围形成120°角，其中，基准平面是指第一声音 入口 la、2a、3a或者它们的中心所位于的平面。根据本发明的梯度换能器被嵌入边界20内。应当记住，声音入口不被边界20覆
至
ΓΤΠ ο图2F示出两个换能器1、2的布置以及相对于边界的倾斜角α (从边界区域进行 观察，且该边界不是由换能器的局部凹进限定的)；α应该处于30°和90°之间。在0° 处，所有的主方向lc、2c相互平行，从而关于声场不会得到有差别的信息。换言之，整体趋 势上，对应的主方向和边界20之间的角度优选地处于0°和60°之间。在本发明的一种变形中，各梯度换能器不是被布置在一个平面中，而是被布置在 假想锥形的外部表面上。声学中心再次被布置成相互邻近，使得前部的声音入口彼此面对。 在实际条件下，当在曲面边界，例如，在车辆的控制台上安放麦克风装置的声音入口时，就 将是这种情况。和将换能器布置在平面中的实际例子一样，在此实际例中，换能器的主方向相互 也成方位角φ，即，不仅主方向在椎体轴线的平面中相对于彼此倾斜，而且主方向的投影也 在与椎体轴线正交的平面内相对于彼此倾斜。以下进一步讨论根据本发明的麦克风装置可得到的信号处理。
图5详细示出信号处理，其中，原理上，为了实现本发明，仅需两个换能器。如果仅 提供了两个换能器，则根据框图的左边部分(虚线分割线的左边)进行信号处理。如果还 提供了第三个换能器，利用分割线右边的信号路径补充此框图。如下的描述允许这些可能 的变形。图5示出单个换能器1、2、3的输出lc、2c、3c和信号处理单元30的输出31之间 的示意性框图。初始时，利用A/D换能器(未示出)对换能器信号进行数字化。之后，彼此 调整所有换能器信号的频率响应，以便对制造容限进行补偿。这可利用线性滤波器32、33 实现，线性滤波器32、33将换能器2和3的频率响应调整为换能器1的频率响应。根据所 有参与的梯度换能器的脉冲响应确定线性滤波器32、33的滤波器系数，其中，从0°角，即， 主方向，测量梯度换能器的脉冲响应。当了解到声学脉冲受到时间的严格限制时，脉冲响应 是换能器的输出信号。在确定滤波器系数期间，将换能器2和3的脉冲响应与换能器1的 脉冲响应进行比较。根据图5的线性滤波器的结果是，在经过滤波器之后，所有梯度换能器 1、2、3的脉冲响应具有相同的频率响应。这种简便措施用于补偿单个换能器的性质相对于 彼此的偏差。随后在框图中，根据换能器1和2的过滤后的换能器信号fl和f2形成和信号 fl+f2以及差信号fl_f2。和信号依赖于单个梯度换能器的朝向或者它们的主方向的角度， 并且，或多或少包含较大的全方向部分。现在在另一个线性滤波器34中处理两个信号fl+f2或者f2_fl中的至少一个。 此滤波用来对这两个信号进行相互调整，从而具有全方向部分的减法信号f2-fl及和信号 fl+f2在重合时遭受最大的拒绝。在这种情况下，具有“8字形”方向特性的减法信号f2-fl 在滤波器34中以频率相关的方式被扩展或压缩，以使得在从和信号中做减法期间在所得 的信号中出现最大拒绝。在滤波器34中对每个频率以及每个频率范围进行独立的调整。经由单个换能器的脉冲响应，在滤波器34中还进行滤波器系数的确定。在仅具有 两个换能器1、2的实际例子中(虚线分割线右边示出的信号处理单元30的部分没有与两 个换能器1、2 —起出现)，对减法信号f2-fl滤波得到信号s2，根据和信号fl+f2(可选地 滤波)得到信号Si。在三个换能器1、2、3的情况下，第三个换能器信号还涉及信号处理(在图5中的 分割线右边)。在线性滤波器33中被调整到换能器1的信号f3现在被乘以放大因子v，并 且作为vXf3从和信号fl+f2中被减去。现在，在三个换能器的情况下，所得的信号si对 应于(H+f2)-(vXf3)。利用放大因子V，其初始地被确立为有用的方向应该位于的方向，S卩，合成的总信 号的方向特性所严格限制的空间方向。可能的有用方向受限于并且依赖于根据本发明布置 的梯度换能器的数量。在三个换能器的情况下，获得6个有用的声音方向，在图7中已标出。 例如，如果因子ν非常小，第三个换能器3对总信号的影响是有限的，和信号fl+f2比信号 vXf3影响更大。另一方面，如果放大因子ν为负，并且很大，则单个信号vXf3比其它两个 换能器1、2的和信号fl+f2影响更大，并且，因此，参考前一种情况，有用的声音方向或者合 成的总信号的敏感度所指向的方向被旋转180°。通过改变因子v，这种简便措施允许改变 和信号，从而在所期望的方向生成任意的方向特性。由于所有换能器信号相等，利用包含第三个换能器3的信号的可行方案，获得可以进行集束的6个可能的方向，可以同时计算这6个方向。对于将要进行集束的各个方向， 需要内部的频谱减法块。在频谱减法块之前，可以结合执行信号处理步骤，以使得对于两个 相反的方向仅需要因子ν不同，然而，所有其它之前的步骤和分支对于这两个方向保持相 同。基于单个换能器的测量数据，可以计算所得到的8字形的最大水平，即，正好在8 字形信号最大的角度处的和信号的水平。然后，以滤波器的形式将此信息施加于信号。于 是，以不涉及控制电路，仅涉及基于规范的方式生成滤波器系数。本算法的优点在于，参考 拒绝角度或全向信号和8字形信号的比例，得到优选的梯度换能器质量。这在实践中相对 容易实现，因此，3个可能的差信号(它们的0°频率响应相等)所得的8字形大致相同。以下进一步解释施加于两个中间信号si和s2的频谱减法，频谱减法是在块40中 进行的。图6详细示出频谱减法块40的单个组件，其涉及数字水平的计算。此处简要地提 到，也可以仅在频谱减法块40之前进行信号的A/D转换，并且在模拟平面上进行在此之前 执行的滤波及信号组合。从相同时间、相同地点(或者至少在临近位置内)记录的信号得到的时间范围 内的两个信号si (η)和s2(n)作为块40的输入。这确保了换能器1、2、3的一致性布置； si (η)表示具有最有用信号部分的信号，而s2 (η)表示包含更多干扰信号的信号，其中，信 号s2(n)的特征在于，在有用的声音方向上观察极坐标图时，它具有零位置；η代表样本指 数，因此，s (η)对应于时间范围中的信号。标记为50的单元根据连续到达的样本生成块长度为N = L+(M_1)的各个 块。L代表对应块中新数据样本的数量，而在之前的块中已经发现了剩余的(M-I)个 样本。这种方法在领域中被称为“覆盖并保存”方法，这在JohnG. Proakis和Dimitris G. Manolakis (Prentice Hall)等的"Digital SignalProcessing，，一书的第 432 页中有描 述。此书的相关段落以引用方式全部被结合在本文中。然后，在M-I个样本从之前的块到达单元50时，块中包含的N个样本被传送到标 记为51的单元。单元51的特征在于，在此区域中，以面向块的方式进行处理。在封装在块 中的信号sl(n，N)到达单元51的同时，封装在块中的信号s2(n，N)以同样的方式被提供给 单元52。在单元51、52中，利用FFT (快速复立叶变换)，例如，DFT (离散复立叶变换)，将组 合成块的信号si和s2的末端样本变换至所期望的频率范围。形成的信号Sl (ω)和S2 (ω) 被分解为数值和相位，从而在单元51和52的输出端产生数值信号ISl(CO)I和|S2( )|。 利用频谱减法，现在各自提取两个数值信号，并产生(ISl(co) -|S2( ) |)。接着，将所得到的信号(ISl(co)卜I S2 (ω))变换回时域。为此，在逆变换期间使 用相位Θ1(ω)，将相位Θ1(ω)在单元51中从信号Sl(GJ) = | Sl (ω) | X θ 1 (ω)分离出 来，并且，类似于数值信号|S1( )|，相位Θ1(ω)也具有N个样本长度。利用IFFT(快速 复立叶逆变换)，例如，IDFT (离散复立叶逆变换)，在一个单元53中进行逆变换，并且，基 于Sl(co)的相位信号Θ 1 (ω)执行此逆变换。因此，可以将单元53的输出信号表示为IF FT [ (I Sl (ω) I -1 S2 (ω) I) X exp (Θ 1 (ω)) ] 0如此生成的N个样本长度的数字时间信号S12(n，N)被馈送回处理单元50，根据 “覆盖并保存”方法的计算过程，将其并入输出数据流S12(n)。
此方法中必须获取的参数是块长度N和速率(M-I)/fs [S](抽样频率为fs)，利用 它们开始计算或生成新块。原理上，只要计算单元足够快，能够执行两个样本之间的全部计 算，则在任何单个样本中，可以执行全部计算。在实际的情况下，已经证明，约50ms的块长 度数值和200Hz的开始生成新块的重复率是有用的。所描述的频谱相减方法仅代表许多种可能中的一种。频谱相减方法本身代表技术 领域中已知的方法。根据本发明的方法的实质优点是通过以下来获得的合成的输出信号sl2(n)包 含来自指向有用声源的特殊方向的相位信息，或者，在它上面集束；相比s2，si是增加了有 用信号部分的信号，它的相位得到使用。由于这样，有用的信息没有失真，因此，保留了它最
初的声音。以下进一步解释本发明的功能或效果。这通过各个换能器的方向效应(图7)和 所有生成的中间信号(图8)来实现。图7示出了单个梯度换能器1、2、3的方向特征，以及可以从其接收已经牢固集束 的有用声源的方向。如果考虑被标示为60的方向，从这个方向以集束的方式记录声音事 件，需要梯度换能器1和2来形成和信号和减法信号。第三换能器的方向特征朝向方向60， 从而在此方向出现最大的拒绝。根据所期望的方向，能够对各个信号进行不同的组合或者 改变各个信号。然而，原理仍然相同。利用500Hz和2kHz的各中间信号的方向效应，本发明的功能方法和效果变得更加 明显。图8示出各个组合信号M1、M2、M3和中间信号的合成方向特征，在这些信号中，在各 种情况下，幅度都被归一化到被指定为0°的有用声音方向，S卩，所有的极坐标曲线和声音 从0°方向发出期间的那些曲线都被归一化为OdB。然后，输出信号31具有在一个方向集 束特别强的方向特征。减法信号f2-fl形成8字形，而和信号f2+fl还具有全方向部分。原理上，在换 能器的主方向或者主方向的投影倾斜到边界期间，0到180°之间的任何角度都是可以 想到的。然而，小角度(0-30度)的缺陷是8字形信号噪声很多，而非常大的角度( 150-180° )的缺陷是和信号的全方向性很高，因此，相位信息不够好。本发明不限于所描述的实际例子。特别是，梯度换能器的朝向可以不同于120°。 然而，至少需要两个梯度换能器来实现本发明。利用两个互相倾斜的梯度换能器，能够实现 有用的声音方向，如图9B和9C所示。图9A基本对应于图1A。参考图9B所示的两个换能 器1、2的方向特征lc、2c，图9C代表和信号fl+f2和差信号f2_fl。然后，宽的心型曲线 (实线)代表和信号fl+f2，而8字形(虚线)代表差信号。角度φ表示两个换能器的主方 向相对于彼此的倾斜度。在具有三个换能器的麦克风装置中，已经利用对应的信号处理实现了 6个有用的 声音方向(图5)。当然，还可以使用更多的换能器。可以利用类似的放大因子ν对信号进 行加权，并且，可以修改和信号。
权利要求
一种合成来自一致性麦克风装置的麦克风信号的方法，所述一致性麦克风装置至少包括两个压力梯度换能器(1，2)，它们的方向特征包括全方向部分和8字形部分，并且具有最大敏感度方向，即，主方向，所述压力梯度换能器(1，2)的所述主方向相互倾斜，所述方法的特征在于，由来自两个压力梯度换能器(1，2)的信号开始，形成差信号(f1 f2)及和信号(f1+f2)，从所述差信号(f1 f2)及所述和信号(f1+f2)得到的信号(s1，s2)被变换到频率范围(S1(ω)，S2(ω))，并且以独立于它们的相位的方式利用频谱减法(40)将它们彼此相减，并且在变换回时间范围之前，为所形成的信号提供源自所述和信号(f1+f2)的信号(S1(ω))的相位(Θ1(ω))。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述差信号(H-f2)及所述和信号 (fl+f2)之前，使压力梯度换能器(1，2，3)的信号的频率响应彼此相等。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据频率的函数，所述差信号 (fl-f2)及/或所述和信号(fl+f2)的幅度被改变，使得改变的信号(sl，s2)的频谱减法 (40)得到信号(sl2)，此信号(sl2)能量最小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述麦克风装置包括至少三 个压力梯度换能器(1，2，3)，并且，利用一因子(ν)对第三压力梯度换能器(3)的信号(f3) 加权，并从所述和信号(fl+f2)中减去该加权后的信号，以形成信号(sl)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对不同的压力梯度换能器组 合同时执行所述方法。
6.一种麦克风装置，包括至少两个分别具有振膜的压力梯度换能器(1，2)，各个压力 梯度换能器(1，2)具有通向所述振膜的前部的第一声音入口(la，2a)，以及通向所述振膜 的后部的第二声音入口(lb，2b)，并且其中，各个压力梯度换能器(1，2)的方向特征包括 全方向部分和8字形部分，并且具有最大敏感度方向，S卩，主方向，所述麦克风装置的特征 在于提供了边界，在所述边界处布置所述压力梯度换能器(1，2)，所述压力梯度换能器(1， 2)的主方向的投影在边界中彼此倾斜，并且所述压力梯度换能器(1，2)的声学中心(201， 202)位于假想球体(0)内，所述球体(0)的半径(R)对应于换能器(1，2)的所述振膜(100， 200)的最大维度(D)的两倍。
7.根据权利要求6所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能器(1，2)的声学 中心(101，201)位于假想球体(0)内，所述球体(0)的半径(R)对应于换能器(1，2)的所 述振膜(100，200)的最大维度(D)。
8.根据权利要求6或7所述的麦克风装置，其特征在于，在所述边界中，所述主方向的 两个投影之间的倾斜角(φ)的数值在20°和160°之间，优选地，在30°和150°之间。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，所述各个主方向和所 述边界之间的倾斜角(θ)的数值在0°和60°之间。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能 器(1，2)嵌入在所述边界中。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能 器(1，2)中的所述第一声音入口(la，2a)和所述第二声音入口(lb，2b)被布置在相同侧， 即，所述换能器外壳的前侧。
12.根据权利要求11所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能器(1，2)的前部被布置成与所述边界齐平。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，每个所述梯度换能 器(1，2)中的所述第一声音入口(la，2a)被布置在所述换能器外壳的前部，并且所述第二 声音入口(lb，2b)被布置在所述换能器外壳的后部。
14.根据权利要求6至12中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能 器(1，2)被布置在公共换能器外壳中。
15.根据权利要求6至14中任一项所述的麦克风装置，其特征在于，所述麦克风装置具 有三个压力梯度换能器(1，2，3)，所述三个压力梯度换能器(1，2，3)的主方向的投影在所 述边界中彼此围成角度，所述角度的数值在110°和130°之间。
16.根据权利要求15所述的麦克风装置，其特征在于，所述三个压力梯度换能器(1，2， 3)的主方向的投影在所述边界中彼此围成大致120°角。
17.一种麦克风装置，包括至少两个各自具有振膜的压力梯度换能器(1，2)，各个压力 梯度换能器(1，2)具有通向所述振膜的前部的第一声音入口(la，2a)，以及通向所述振膜 的后部的第二声音入口(lb，2b)，并且其中，各个压力梯度换能器(1，2)的方向特征包括全 方向部分和8字形部分，所述麦克风装置的特征在于，所述压力梯度换能器(1，2)中的所述 第一和第二声音入口被布置在相同侧，即，所述换能器外壳的前侧，并且，各个压力梯度换 能器的前侧基本上位于一个平面中，各个压力梯度换能器(1，2)的主方向的投影在所述平 面内相对于彼此倾斜，并且所述压力梯度换能器(1，2，3)的声学中心位于假想球体(0)内， 所述球体(0)的半径(R)对应于压力梯度换能器(1，2，3)的所述振膜(100，200，300)的最 大维度⑶的两倍。
18.根据权利要求17所述的麦克风装置，其特征在于，所述压力梯度换能器(1，2，3)的 声学中心(101，201，301)位于假想球体(0)内部，所述球体(0)的半径(R)对应于换能器 (1,2,3)的所述振膜(100，200，300)的最大维度(D)。
全文摘要
本发明涉及一种合成来自一致性麦克风装置的麦克风信号的方法，其中，麦克风装置由至少两个压力梯度换能器(1，2)组成，压力梯度换能器(1，2)的方向特性由全方向部分和8字形部分组成，并且其具有最大敏感度方向，即，主方向，压力梯度换能器(1，2)的主方向相对于彼此相互倾斜。为了高质量地记录有用的声音方向，由两个压力梯度换能器(1，2)的信号开始，形成差信号(f1-f2)及和信号(f1+f2)，将根据差信号(f1-f2)及和信号(f1+f2)推导出的信号(s1，s2)变换至频域(S1(ω)，S2(ω))，并且，利用频谱减法(40)以独立于它们的相位的方式将它们彼此相减，然后，在所形成的信号被变换回所希望的时域之前，为其赋予源自和信号(f1+f2)的信号(S1(ω))的相位(Θ1(ω))。
文档编号H04R1/40GK101911721SQ200780102186
公开日2010年12月8日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月13日
发明者弗雷德里克·里宁 申请人:Akg声学有限公司