1.本实用新型涉及音频录制与音频信号处理技术领域。
背景技术：
2.早在1972年，全景音频技术作为立体声录音技术的拓展被学界所关注。其中由michael gerzon和peter craven提出的高保真立体声响复制技术是一种基于球面调和函数分解空间声场的方式。球面调和函数是定义在球面上的无数个函数，按阶数分组，阶数越高其分解球面越精细。基于零阶和一阶球面调和分解空间声场得到的结果称为一阶高保真立体声响复制音频格式，也被称为b格式(b-format)。虽然日后随着信息处理系统以及音频硬件的发展，高阶格式和各种混合阶格式陆续登上历史舞台，但由于b格式实现相对简单，时至今日仍然是目前商业市场上普遍采用的全景视频的音频格式。
3.b格式的直接录制方法为：通过三支分别指向前后、左右、上下的双指向型麦克风以及一支全指向型麦克风同步录制，所得信号即为b格式。但这种录制方法导致拾音单元安装极为不便，且碍于麦克风的体积不能缩减为零，理想摆放位置始终不可能达到，而实际在采用一阶高保真立体声响复制技术的音频系统中，由空间采样定理，易知:其中r为球面半径，l为球面调和函数分解阶数，c为空气中的声速，f为信号频率。若f取到人类听觉频率上限，则球直径缩小至远小于人类两耳距离，反之，若取球直径为人类两耳间距以上的值，则推导得出频率f的数值偏小，意味着高频部分将发生空间混叠。这说明对于一阶高保真立体声响复制技术而言从物理角度上完美记录和重建声场已然不可能，为了给听众尽量提供良好的声场方向感，需要在录制和重放误差存在的既定事实下，利用人耳的听力特性和心理活动容易受到主观暗示的性质，近似地实现全景音频录放技术。
4.b格式的间接录制方法于1975年被实用新型。michael gerzon和peter craven共同获得了美国专利us4042779(其专利权现已保护期满)，该专利描述了一种录制b格式的正四面体型麦克风阵列及其信号处理基本方法，即利用正四面体的对称性尽量均匀地分配安装误差并尽可能使其最小，将四枚心形指向的麦克风安装于正四面体的顶点，其录制信号格式称为a格式，再利用初等矩阵算法转换为b格式。而这一技术目前正在被大量音频产品厂家例如zoom、森海塞尔等品牌使用，制成了多种用于vr内容创作的录音笔产品。
5.该实用新型人于上述专利文书中所阐明的用于录制b格式的正四面体麦克风阵列设计，用于实际工程时需要加工一个刚性较强、内部镂空以便引出电缆、切削面较多且精度要求高的正四面体结构件，若使用主流的非金属材料3d打印技术虽能一次成型节省成本，但会导致刚性不佳，而采用当前常规方法即使用金属材料进行数控加工时，需要用刀具掏空结构件内部，存在零件装夹不便、工步繁多耗费工时、对加工设备要求高的弊端，这也使得专业级产品的造价居高不下。
6.另外，此种麦克风阵列呈现出对称的空间结构，其安装组件在长、宽、高三个维度上占据相等尺寸，安装固定点在一棱的中点上。考虑到通常麦克风使用过程中想获得良好的收录效果需要保证拾音单元裸露在空气中，若需将该装置安装到以扁平形状的pcb板堆
叠构成的，对集成度要求较高的现代电子产品中则会造成较大的不便，或因球形或四面体形结构凸出表面影响外观，或因阵列藏于产品内部受到产品壳体包围导致收音不畅，影响音频性能。即使通过特殊手段实现，也将占据机身内部的大量空间，不利于整体设计。
技术实现要素：
7.本实用新型所要解决反而技术问题是：如何提供一种有效保全上述高保真立体声响复制技术音频性能，充分兼容原有音频信号采集设备及音频信号处理方法的麦克风阵列。
8.本实用新型所采用的技术方案是：一种用于全景音频的麦克风阵列，将4只相同的心形指向麦克风的几何中心处于同一平面s，4只相同的心形指向麦克风的几何中心构成一个正方形abcd，4只相同的心形指向麦克风的安装方向分别为(45
°
，45
°
)、(-45
°
，-45
°
)、(135
°
，-45
°
)、(-135
°
，45
°
)，括号中，前一个角度为心形指向麦克风对应的方位角，后一个角度表示心形指向麦克风对应的俯仰角，每只心形指向麦克风的几何中心所在点为对应方位角和俯仰角的顶点，每只心形指向麦克风的方位角以x轴为方位角起始边，负号表示方位角终止边到方位角起始边为顺时针，每只心形指向麦克风的俯仰角以平面s所在的边为俯仰角起始边，负号表示俯仰角终止边到俯仰角起始边为顺时针。
9.将4只相同的心形指向麦克风的几何中心处于同一平面s，在平面s上建立直角坐标系xoy，x轴正向为从后到前，y轴正向为从右到左，在平面s上定义一个正方形abcd，该正方形abcd的中心点与直角坐标系xoy的原点o重合，且该正方形abcd的对角线长2r，正方形abcd的四条边平行于直角坐标系xoy的x轴或者y轴，正方形abcd的四个顶点分别与4只相同的心形指向麦克风的几何中心重合，记心形指向麦克风单元的压差感受面的外法方向为其安装方向；以每只心形指向麦克风的几何中心所在点为参考点即方位角和俯仰角的顶点，每只心形指向麦克风的方位角以x轴为起始边另一边终止边，方位角小于180度，将终止边旋转方位角数值的角度到与起始边重合，终止边逆时针旋转则方位角为正，终止边顺时针旋转则方位角为负，终止边与起始边重合则为0；每只心形指向麦克风的俯仰角以平面s所在的边为起始边另一边终止边，俯仰角小于180度，将终止边旋转俯仰角数值的角度到与起始边重合，终止边逆时针旋转则方位角为正，终止边顺时针旋转则方位角为负，终止边与起始边重合则为0；以(θ，)表示每只心形指向麦克风的安装方向，其中θ表示心形指向麦克风对应的方位角，表示心形指向麦克风对应的俯仰角，则4只相同的心形指向麦克风的安装方向分别为(45
°
，45
°
)、(-45
°
，-45
°
)、(135
°
，-45
°
)、(-135
°
，45
°
)。
10.正方形abcd的顶a与左前方的心形指向麦克风的几何中心重合记做lf，正方形abcd的顶b与右前方的心形指向麦克风的几何中心重合记做rf，正方形abcd的顶c与右后方的心形指向麦克风的几何中心重合记做rb，正方形abcd的顶d与左后方的心形指向麦克风的几何中心重合记做lb则，lf的安装方向为(45
°
，45
°
)；rf的安装方向为(-45
°
，-45
°
)；lb的安装方向为(135
°
，-45
°
)；rb的安装方向为(-135
°
，45
°
)。
11.本实用新型的有益效果是：本实用新型所提供的麦克风阵列相比us4042779提供的正四面体排布更有利于减小空间占用。而不同于简单的平面阵列，本实用新型提供的方案又使得麦克风单元可以收录到垂直方向的声音信息，使得全景声录音技术应用于高集成度的新型数码产品更加方便。
12.本实用新型提供的麦克风阵列，其支撑结构可以一体成型也可以分别加工组装。因此也可配合产品总体设计而分别加工带有上述角度的安装件，装入麦克风单元后以相应的平面位置被固定或嵌入在产品主体中，与产品主体共同组成麦克风阵列所需结构，进而避免加工体积较大的零件，避免因切削面过多导致的反复装夹操作，以节约机床工时和工件治具成本。此外，由于四只麦克风的安装方向具有对称性，可以利用这一对称性设计通用安装件(座)，通过改变装配方向来达到对应角度，以便减少零件种类，这有利于大量生产时节约设计和加工成本。
13.本实用新型所提供的麦克风阵列产生的输出信号仍符合us4042779所描述的一阶高保真立体声响复制音频格式，对于远场声或对角度定位误差更不敏感的应用而言无需其他处理即可直接兼容现有音频设备，对于近场声，其近场补偿处理方式同用于正四面体阵列的现有技术保持相同原理，后续开发成本低。
附图说明
14.图1是麦克风阵列平面位置示意图；
15.图2是麦克风阵列安装方向示意图；
16.图3是心形指向麦克风安装时三视图示意图；
17.图4是心形指向麦克风安装时立体图示意图；
18.图5是麦克风阵列结构件三视图示意图；
19.图6是麦克风阵列结构件立体图示意图；
20.其中，mic—mount为心形指向麦克风安装孔孔位，fix为心形指向麦克风定位孔，为心形指向麦克风安装所提供的45度俯仰角约束，lf—m为lf安装孔，rf—m为rf安装孔，lb—m为lb安装孔，rb—m为rb安装孔，θlf为lf方位角，θrf为rf方位角，θlb为lb方位角，θrb为rb方位角，为lf俯仰角，为rf俯仰角，为lb俯仰角，为rb俯仰角。
具体实施方式
21.本实用新型采用4只相同的心形指向麦克风，心形指向麦克风是指其录音增益g同声源与麦克风单元之间的角度关系ω满足或近似满足方程g＝1+cosω，这一方程称为麦克风的指向性方程，以上式在极坐标系下做出的图形呈心形。这种麦克风单元的壳体为圆柱体，一底面背靠金属外壳引出电路连接线，可称为引线面；另一底面开小孔接受声波传入，声波传入时会在两底面之间产生压强差，故后文称之为压差感受面，在麦克风的指向性方程中，压差感受面的外(侧)法(线)方向(即从麦克风单元的壳体内部指向外部，垂直于压差感受面的直线方向)对应ω＝0
°
。令其几何中心处于同一平面s，在该平面上定义直角坐标系xoy并以x正向为前方、以y正向为左方。并定义一正方形abcd，半对角线长为r，其中心点与原点o重合，一组邻边分别与x轴和y轴平行。记其位于左前方的顶点为a、位于右前方的顶点为b、位于右后方的顶点为c、位于左后方的顶点为d，使拾音单元的几何中心位于a、b、c、d点，如图1所示。单元分别命名为lf(左前)、rf(右前)、rb(右后)、lb(左后)。记每只心形指向麦克风单元的压差感受面的外法方向为对应的安装方向，以心形指向麦克风单元几何中心所在点(圆柱体的几何中心为两圆形底面圆心所连线段的中点)为参考点来定义角度，以(θ，)表示，其中θ为方位角，为俯仰角，方位角以x轴方向为0
°
，逆时针为正；俯仰角以平
面s的共面方向为0
°
，逆时针(向上)为正。则lf的安装方向为(θlf＝45
°
，)；rf的安装方向为(θrf＝-45
°
，)；lb的安装方向为(θlb＝135
°
，)；rb的安装方向为(θrb＝-135
°
，)，如图2所示。一种用于实现本实用新型的结构件如图5-6所示，图中lf_m为左前方单元lf的安装孔位、rf_m为右前方单元rf的安装孔位、lb_m为左后方单元lb的安装孔位、rb_m为右后方单元rb的安装孔位，麦克风嵌入对应孔位后，该结构件即提供半对角线长为r的尺寸约束和lf的安装方向为(45
°
，45
°
)、rf的安装方向为(-45
°
，-45
°
)、lb的安装方向为(135
°
，-45
°
)、rb的安装方向为(-135
°
，45
°
)的角度约束，进而实现前文提到的本实用新型技术方案，其误差主要由该件以及麦克风单元被加工时的精度决定，装配过程中的误差影响较小。该件及其相似构造(指通过等比缩放、增加或去除表面图案或标识、改变材料种类或边缘厚度等方式重新设计的，具有相同原理和相似形状的工件)可使用3d打印、金属材料机械加工、塑料模具成型等常见制造方式加以实现。
22.一种用于实现本实用新型的通用安装件如图3-4所示，展示了一个以圆台为主体形状的安装件，图中mic_mount所标位置为一个麦克风单元的安装孔位，图中fix所标位置为一个定位孔，麦克风单元嵌入安装孔位后，该件为麦克风单元提供了相对于fix轴向的45
°
角约束，为获取-45
°
只需调转方向固定即可。其误差主要由该件以及麦克风单元被加工时的精度决定。其余距离与角度约束需要通过将该安装件嵌入或固定于其他表面，通过确定其位置得到，其误差主要由其他表面的加工精度、组合体的装配精度共同决定。以正方体产品机壳为例，只需在机壳各表面钻入台阶孔，使之符合90
°
旋转对称，并将该安装件嵌入台阶孔，经妥善固定后即实现前文提到的本实用新型技术方案。该件及其相似构造(指通过等比缩放、增加或去除表面图案或标识、改变材料种类或边缘厚度等方式重新设计的，具有相同原理和相似形状的工件)可使用3d打印、金属材料机械加工、塑料模具成型等常见制造方式加以实现。