專利名稱：：三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種麥克風(fēng)陣列，特別是涉及一種球形麥克風(fēng)陣列及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：隨著音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，利用單個(gè)麥克風(fēng)進(jìn)行空間聲場采集已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求，因此麥克風(fēng)陣列受到了越來越廣泛的關(guān)注。麥克風(fēng)陣列就是一定數(shù)目的麥克風(fēng)按照一定的規(guī)則布局而組成的音頻信號(hào)采集裝置。常見的麥克風(fēng)陣列主要有線形麥克風(fēng)陣列、環(huán)形麥克風(fēng)陣列、球形麥克風(fēng)陣列。球形麥克風(fēng)陣列由于自身物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，在高空間分辨率的聲場錄制、波束形成、空間聲場分析、三維空間聲源定位、語音增強(qiáng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。球麥克風(fēng)陣列性能的優(yōu)劣很大程度上決定于陣列結(jié)構(gòu)的好壞，因此球麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受至lj了廣泛的關(guān)注。Rafaely(B.Rafaely，Analysisanddesignofsphericalmicrophonearrays,IEEETransactionsonSpeechandAudioProcessing,vol.13，no.1,pp.135-143，2005.)列舉了現(xiàn)有的三種球麥克風(fēng)陣列等角度分布的球麥克風(fēng)陣列、高斯分布的球麥克風(fēng)陣列、近似均勻分布的球麥克風(fēng)陣列，并對(duì)該三種球麥克風(fēng)陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，而且還對(duì)它們的性能表現(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。等角度分布球麥克風(fēng)陣列和高斯分布球麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)分布規(guī)律，關(guān)于中心軸線具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，然而它們的麥克風(fēng)分布不均勻，在軸線端點(diǎn)附近麥克風(fēng)過于集中。要采集W階的聲場信息，利用等角度分布的球麥克風(fēng)陣列時(shí)，所需的麥克風(fēng)數(shù)目至少應(yīng)為4(7V+1)、利用高斯分布的球麥克風(fēng)陣列時(shí)，所需的麥克風(fēng)數(shù)目至少應(yīng)為2(W+1)2;而利用均勻分布的球麥克風(fēng)陣列時(shí)，陣列的麥克風(fēng)數(shù)目至少應(yīng)為(7V+1)2。通過以上的數(shù)值比較，可以看出等角度分布球麥克風(fēng)陣列和高斯分布球麥克風(fēng)陣列都存在著很大的陣列冗余。雖然均勻分布的球麥克風(fēng)陣列的陣列冗余度最小，但是該陣列的麥克風(fēng)位置分布沒有規(guī)律，而且當(dāng)陣列所需的麥克風(fēng)數(shù)目較多時(shí)，難以確定每個(gè)麥克風(fēng)的位置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列及其設(shè)計(jì)方法。該球麥克風(fēng)陣列關(guān)于空間直角坐標(biāo)系的三條坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，陣列冗余度較小，而且能方便地確定出該球麥克風(fēng)陣列在承載球體表面的空間位置分布。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)上述三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列，是由承載球體和固定在承載球體表面上的若干麥克風(fēng)組成，其特征在于上述若干麥克風(fēng)被固定在承載球體表面的三經(jīng)線交點(diǎn)位置處。上述三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟(1)、建立以承載球體的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系；(2)、分別在上述承載球體的表面作三組等夾角的大圓，其具體步驟如下-(2-1)、以空間直角坐標(biāo)系的Z軸為軸線在承載球體的表面上作尺個(gè)等夾角的大圓，其中《的取值為2的正整數(shù)次方，并且該尺個(gè)大圓包含位于;roz平面和yoz平面上的兩個(gè)大圓；(2-2)、以空間直角坐標(biāo)系的；r軸為軸線在承載球體的表面上再作《個(gè)等夾角的大圓，其中該^個(gè)大圓包含位于^TO,平面和^^平面上的兩個(gè)大圓；(2-3)、以空間直角坐標(biāo)系的y軸為軸線在承載球體的表面上也作《個(gè)等夾角的大圓，其中該尺個(gè)大圓包含位于；ray平面和yoz平面上的兩個(gè)大圓；(3)、從步驟(2)所作的三組大圓的交點(diǎn)中選取出不同組的三個(gè)大圓的共交點(diǎn)，該三個(gè)大圓的共交點(diǎn)即為三經(jīng)線交點(diǎn)，在承載球體表面的每個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處固定一個(gè)麥克風(fēng)，即得到了三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。上述承載球體是用來承載麥克風(fēng)和保持麥克風(fēng)位置的，它有兩種類型一種為剛性球體，一種為開放式球體。上述承載球體的半徑r由公式(l)計(jì)算得到dV(1)2《其中，c為空氣中聲音的傳播速度，7V為球麥克風(fēng)陣列的階數(shù)，/^Pt為球麥克風(fēng)陣列可采集處理的音頻信號(hào)的最佳頻率點(diǎn)。在確定承載球體半徑的時(shí)候，應(yīng)首先確定出要使用的球麥克風(fēng)陣列的階數(shù)；然后根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境確定出要釆集的音頻信號(hào)的最優(yōu)頻率，并將此頻率作為球麥克風(fēng)陣列可采集處理的音頻信號(hào)的最佳頻率點(diǎn)；再將以上確定的參數(shù)代入到公式(1)，計(jì)算出球麥克風(fēng)陣列承載球體的半徑。根據(jù)三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的麥克風(fēng)分布規(guī)律，可以歸納計(jì)算出三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列上麥克風(fēng)的數(shù)目Z為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比^，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列上的麥克風(fēng)均位于承載球體表面的三經(jīng)線交點(diǎn)位置處，因此能方便地確定出每個(gè)麥克風(fēng)在承載球體表面的位置；2、三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列關(guān)于空間直角坐標(biāo)系的三條坐標(biāo)軸均具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此它在被應(yīng)用于空間聲場分析、波束形成、三維空間聲源定位時(shí)，能利用該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性簡化計(jì)算過程，節(jié)省運(yùn)算開銷；3、三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列與等角度分布球麥克風(fēng)陣列和高斯分布球麥克風(fēng)陣列相比，麥克風(fēng)在承載球體表面上分布更為均勻。因此，三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的冗余度也比等角度分布球麥克風(fēng)陣列和高斯分布球麥克風(fēng)陣列的冗余度更小。圖1為本發(fā)明的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)方法的流程圖；圖2為本發(fā)明的空間直角坐標(biāo)系與球坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖3為本發(fā)明的實(shí)施例一的步驟(2)中以z軸為軸線在球面上作4個(gè)等夾角大圓的示意圖4為本發(fā)明的實(shí)施例一的步驟(2)中分別以z軸和;f軸為軸線在球面上作4個(gè)等夾角大圓的示意圖5為本發(fā)明的實(shí)施例一的步驟(2)中分別以z軸、；f軸、y軸為軸線在球面上作4個(gè)等夾角大圓的示意圖6為本發(fā)明的實(shí)施例一中的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列分布在承載球體表面上的26個(gè)位置點(diǎn)的示意圖7為本發(fā)明的實(shí)施例二的步驟(2)中以z軸為軸線在球面上作8個(gè)等夾角大圓的示意圖8為本發(fā)明的實(shí)施例二的步驟(2)中分別以》軸和x軸為軸線在球面上作8個(gè)等夾角大圓的示意圖9為本發(fā)明的實(shí)施例二的步驟(2)中分別以z軸、；r軸、y軸為軸線在球面上作8個(gè)等夾角大圓的示意圖10為本發(fā)明的實(shí)施例二中的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列分布在承載球體表面上的98個(gè)位置點(diǎn)的示意圖11為本發(fā)明的實(shí)施例二中得到的48個(gè)不同組的兩個(gè)大圓的交點(diǎn)位置的示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)方法實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，實(shí)施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例一本實(shí)施例中球麥克風(fēng)陣列的應(yīng)用環(huán)境和性能指標(biāo)如下需采集3階的空間聲場信號(hào)，測量環(huán)境中音頻信號(hào)的頻率范圍為300Hz~3400Hz，且音頻信號(hào)的頻率主要集中在2000Hz附近。根據(jù)以上的應(yīng)用要求來確定要使用的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的技術(shù)參數(shù)。由于需采集3階的空間聲場信號(hào)，因此使用26個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列即能滿足應(yīng)用要求。參照?qǐng)D1，26個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟(1)、建立以承載球體的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系，如圖2所示；(2)、分別在上述承載球體的表面作三組等夾角的大圓，其具體步驟如下(2-1)、以空間直角坐標(biāo)系的z軸為軸線在承載球體的表面上作4個(gè)等夾角的大圓，其中該4個(gè)大圓包含位于；roz平面和"2平面上的兩個(gè)大圓，如圖3所示；(2-2)、以空間直角坐標(biāo)系的,軸為軸線在承載球體的表面上再作4個(gè)等夾角的大圓，其中該4個(gè)大圓包含位于;roy平面和；raz平面上的兩個(gè)大圓，如圖4所示；(2-3)、以空間直角坐標(biāo)系的/軸為軸線在承載球體的表面上也作4個(gè)等夾角的大圓，其中該4個(gè)大圓包含位于;ray平面和yoz平面上的兩個(gè)大圓，如圖5所示；(3)、步驟(2)所作的三組大圓相交共得到26個(gè)交點(diǎn)，該26個(gè)交點(diǎn)均為不同組的三個(gè)大圓的共交點(diǎn)，即為三經(jīng)線交點(diǎn)。在承載球體表面的該26個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處固定上麥克風(fēng)，即得到了26個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。圖6中所示的26個(gè)黑點(diǎn)即為本發(fā)明的26個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列在承載球體表面上的分布點(diǎn)。在圖2所示的空間坐標(biāo)系中，空間中任意一點(diǎn)的球坐標(biāo)O,夕，0)與空間直角坐標(biāo)(JC,y,z)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為(3)式z=rcos6根據(jù)圖6中給出的26個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的位置分布，可以容易地確定出每個(gè)麥克風(fēng)在承載球體表面的位置坐標(biāo)W，60，將得到的角度值列表如下(0，0)(0，45)(45,55)(90,45)(135,55)(180，45)(225,55)(270,45)(315，55)(0，90)(45，90)(90,90)6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>再根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境中所提到的信息測量環(huán)境中音頻信號(hào)的頻率范圍為300Hz3400Hz，且音頻信號(hào)主要集中在2000Hz頻率附近，故應(yīng)確定球麥克風(fēng)陣列可采集處理的音頻信號(hào)的最佳頻率為2000Hz。將以上得到的參數(shù)值代入到公式(l)中，即可計(jì)算出陣列承載球體的半徑r為8.1cm。將26個(gè)麥克風(fēng)固定在一個(gè)半徑為8.1cm的承載球體表面的26個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處，即得到了實(shí)施例一需要的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。實(shí)施例二此實(shí)施例中球麥克風(fēng)陣列的應(yīng)用環(huán)境和性能指標(biāo)如下需采集7階的空間聲場信號(hào)，測量環(huán)境中音頻信號(hào)的頻率范圍為2300Hz~3600Hz,且音頻信號(hào)的頻率主要集中在3000Hz附近。根據(jù)以上的應(yīng)用要求來確定要使用的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的技術(shù)參數(shù)。由于需采集7階的空間聲場信號(hào)，因此應(yīng)使用98個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列來達(dá)到以上應(yīng)用要求。參照?qǐng)D1，98個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列上的麥克風(fēng)在承載球體表面的位置可通過以下步驟確定(1)、本步驟與實(shí)施例一的步驟(l)相同；(2)、分別在上述承載球體的表面作三組等夾角的大圓，其具體步驟如下-(2-1)、以空間直角坐標(biāo)系的z軸為軸線在承載球體的表面上作8個(gè)等夾角的大圓，其中該8個(gè)大圓包含位于^z平面和yoz平面上的兩個(gè)大圓，如圖7所示；(2-2)、以空間直角坐標(biāo)系的x軸為軸線在承載球體的表面上再作8個(gè)等夾角的大圓，其中該8個(gè)大圓包含位于;ra/平面和x^平面上的兩個(gè)大圓，如圖8所示；(2-3)、以空間直角坐標(biāo)系的/軸為軸線在承載球體的表面上也作8個(gè)等夾角的大圓，其中該8個(gè)大圓包含位于;ro/平面和平面上的兩個(gè)大圓，如圖9所示；(3)、步驟(2)所作的三組大圓相交共得到146個(gè)交點(diǎn)，其中有98個(gè)交點(diǎn)為不同組的三個(gè)大圓的共交點(diǎn)，是三經(jīng)線交點(diǎn)，另外的48個(gè)交點(diǎn)只是不同組的兩個(gè)大圓的交點(diǎn)，不是三經(jīng)線交點(diǎn)。在承載球體表面上的該98個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處固定上麥克風(fēng)，即得到了98個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。圖10中所示的98個(gè)黑點(diǎn)即為本發(fā)明的98個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列在承載球體表面上的分布點(diǎn)。圖11中所示的48個(gè)黑點(diǎn)即為本實(shí)施例中得到的48個(gè)僅為不同組的兩個(gè)大圓的交點(diǎn)。7根據(jù)圖10中給出的98個(gè)點(diǎn)的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的位置分布，可以容易地確定出每個(gè)麥克風(fēng)在承載球體表面的位置坐標(biāo)W，6)，將得到的角度值列表如下(<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>再根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境中所提到的信息測量環(huán)境中音頻信號(hào)的頻率范圍為2300Hz3600Hz，且音頻信號(hào)主要集中在3000Hz頻率附近，故應(yīng)確定球麥克風(fēng)陣列可采集處理的音頻信號(hào)的最佳頻率為3000Hz。將以上得到的參數(shù)值代入到公式(l)中，即可計(jì)算出陣列承載球體的半徑r為12.6cm。將98個(gè)麥克風(fēng)固定在一個(gè)半徑為12.6cm的承載球體表面的98個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處，即得到了實(shí)施例二需要的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。權(quán)利要求1、一種三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列，它由承載球體和固定在承載球體表面上的若干麥克風(fēng)組成，其特征在于上述若干麥克風(fēng)被固定在承載球體表面的三經(jīng)線交點(diǎn)位置處。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列，其特征在于上述承載球體的半徑r由公式(l)計(jì)算得到-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，c為空氣中聲音的傳播速度，iv為球麥克風(fēng)陣列的階數(shù)，y^pt為球麥克風(fēng)陣列可采集處理的音頻信號(hào)的最佳頻率點(diǎn)。3、一種三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟(1)、建立以承載球體的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系；(2)、分別在上述承載球體的表面作三組等夾角的大圓，其具體步驟如下(2-1)、以空間直角坐標(biāo)系的Z軸為軸線在承載球體的表面上作《個(gè)等夾角的大圓，其中A:的取值為2的正整數(shù)次方，并且該尺個(gè)大圓包含位于;roz平面和/oz平面上的兩個(gè)大圓；(2-2)、以空間直角坐標(biāo)系的義軸為軸線在承載球體的表面上再作《個(gè)等夾角的大圓，其中該《個(gè)大圓包含位于；ray平面和；raz平面上的兩個(gè)大圓；(2-3)、以空間直角坐標(biāo)系的/軸為軸線在承載球體的表面上也作尺個(gè)等夾角的大圓，其中該尺個(gè)大圓包含位于；ray平面和yoz平面上的兩個(gè)大圓；(3)、從步驟(2)所作的三組大圓的交點(diǎn)中選取出不同組的三個(gè)大圓的共交點(diǎn)，該三個(gè)大圓的共交點(diǎn)即為'三經(jīng)線交點(diǎn)，在承載球體表面上的每個(gè)三經(jīng)線交點(diǎn)位置處固定一個(gè)麥克風(fēng)，即得到了三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。全文摘要本發(fā)明公開了一種三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列及其設(shè)計(jì)方法。該陣列由承載球體和固定在承載球體表面上的若干麥克風(fēng)組成，若干麥克風(fēng)被固定在承載球體表面的三經(jīng)線交點(diǎn)位置處。該陣列的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟(1)建立以承載球體的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系；(2)分別在上述承載球體的表面作三組等夾角的大圓；(3)從步驟(2)所作的三組大圓的交點(diǎn)中選取出不同組的三個(gè)大圓的共交點(diǎn)，并在承載球體表面上的這些共交點(diǎn)處固定麥克風(fēng)，即得到了三經(jīng)線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列。該球麥克風(fēng)陣列關(guān)于空間直角坐標(biāo)系的三條坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；該球麥克風(fēng)陣列的冗余度較小；并且該球麥克風(fēng)陣列在承載球體表面的空間位置分布能夠方便地確定。文檔編號(hào)H04R1/08GK101674508SQ200910196589公開日2010年3月17日申請(qǐng)日期2009年9月27日優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日發(fā)明者莊啟雷,黃青華申請(qǐng)人:上海大學(xué)