本發(fā)明屬于麥克風(fēng)陣列拾音控制或揚(yáng)聲器陣列播放控制領(lǐng)域，涉及一種基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法、音頻設(shè)備及存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、恒定波束形狀設(shè)計方法可應(yīng)用于麥克風(fēng)陣列的拾音或揚(yáng)聲器陣列的播放中。對于麥克風(fēng)陣列來說，在復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境中，背景噪聲、干擾以及混響等因素都會惡化麥克風(fēng)的拾音性能，降低語音的清晰度和可懂度，導(dǎo)致單麥克風(fēng)拾音無法滿足日常需求。相比于單麥克風(fēng)拾音效果，結(jié)合波束形成算法的麥克風(fēng)陣列可以通過融合空時信息，增強(qiáng)來自目標(biāo)方向的信號，抑制非目標(biāo)方向信號增益，提高輸出語音的信噪比，提升語音質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于語音增強(qiáng)和語音識別等領(lǐng)域。差分波束形成設(shè)計算法指向性指數(shù)高，且可以實現(xiàn)寬帶恒定波束寬度，能有效降低語音失真度，因此在眾多固定波束形成設(shè)計算法獲得了廣泛關(guān)注。

2、對于揚(yáng)聲器陣列來說，在個人聽音區(qū)，廣場舞播放等應(yīng)用中，都需要揚(yáng)聲器只向目標(biāo)方向發(fā)射聲音，同時不干擾其它區(qū)域，差分波束形成因為其恒定波束寬度也在揚(yáng)聲器陣列中得到了廣泛關(guān)注。

3、在實際中為提高抗誤差性能，通常通過提高麥克風(fēng)單元數(shù)目，采用最小范數(shù)約束方法改善魯棒性性能，但中高頻處的恒定波束寬度會被破壞?；诖耍缟暾埲嗽趯＠鹀n115474136a中披露了一種麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器陣列的波束形成方法，在保證只需要設(shè)置零點位置的前提下在整個頻段內(nèi)取得較好的恒定波束寬度。然而，在實踐應(yīng)用中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)整個頻段內(nèi)的恒定波束形狀仍然存在改進(jìn)空間。

4、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本申請的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法、音頻設(shè)備及存儲介質(zhì)，通過犧牲少量白噪聲增益性能進(jìn)一步提升整個頻段上的恒定波束形狀。

2、本發(fā)明的第一個方面采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法，包括對如下最優(yōu)問題進(jìn)行求解，獲得麥克風(fēng)陣列或揚(yáng)聲器陣列的權(quán)重向量：

4、

5、其中，

6、

7、w為權(quán)重向量，h為共軛轉(zhuǎn)置，θ為波束方向，為目標(biāo)波束表達(dá)式；j是虛數(shù)，xm為麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器的位置，k＝ωc，ω為角頻率，c為聲速，t為轉(zhuǎn)置；

8、s.t.表示約束條件，矩陣φ的表達(dá)式為：

9、

10、n為整數(shù)索引，jn(·)為n階第一類貝塞爾函數(shù)；

11、為目標(biāo)波束的系數(shù)向量；

12、εopt為最佳白噪聲增益，loss為可以允許損失的白噪聲增益性能。

13、在一優(yōu)選的實施例中，定義最佳白噪聲增益表達(dá)式為其中，

14、在一優(yōu)選的實施例中，目標(biāo)波束的系數(shù)向量

15、在一更優(yōu)選的實施例中，目標(biāo)波束表達(dá)式為：

16、

17、其中n＝-n,…,n。

18、在一優(yōu)選的實施例中，所述麥克風(fēng)陣列包括2m+1個麥克風(fēng)，或所述揚(yáng)聲器陣列包括2m+1個揚(yáng)聲器，且滿足條件m≥n+1。

19、在一優(yōu)選的實施例中，所述麥克風(fēng)陣列為線性麥克風(fēng)陣列，或所述揚(yáng)聲器陣列為線性揚(yáng)聲器陣列。進(jìn)一步地，2m+1個麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器沿一直線依次等間隔布放，期望目標(biāo)方向為和所述直線垂直且穿過所述麥克風(fēng)陣列或揚(yáng)聲器陣列的中心的方向。零點位置偏離麥克風(fēng)陣列或揚(yáng)聲器陣列的期望目標(biāo)方向，具體為偏離所述直線的角度θ。

20、在一優(yōu)選的實施例中，實際的波束圖表達(dá)式為：

21、

22、其中wm(k)為對應(yīng)麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器的權(quán)重；

23、通過jacobi-anger級數(shù)展開可獲得波束表達(dá)式為jn(·)為n階第一類貝塞爾函數(shù)，n＝-n,…,n；

24、對jacobi-anger級數(shù)展開的波束表達(dá)式±n階截斷獲得所述的矩陣φ。

25、在一優(yōu)選的實施例中，將所述麥克風(fēng)陣列拾取的聲音信號轉(zhuǎn)換為頻域，各麥克風(fēng)通道的頻域聲音信號和對應(yīng)的權(quán)重相乘，疊加后轉(zhuǎn)換為時域，獲得最終輸出的聲音信號；或，將播放音源轉(zhuǎn)換為頻域，并和揚(yáng)聲器陣列的各個通道對應(yīng)的權(quán)重相乘后轉(zhuǎn)換為時域，獲得每個揚(yáng)聲器單元播放的聲音。

26、根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，一種音頻設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如上所述的恒定波束形狀設(shè)計方法。

27、在一優(yōu)選的實施例中，所述音頻設(shè)備包括麥克風(fēng)陣列，所述處理器獲得所述麥克風(fēng)陣列的權(quán)重向量對據(jù)此對拾取的聲音信號進(jìn)行處理。

28、在一個優(yōu)選且具體的方面，所述音頻設(shè)備為遠(yuǎn)程會議設(shè)備。

29、在一優(yōu)選的實施例中，所述音頻設(shè)備包括揚(yáng)聲器陣列，所述處理器獲得所述揚(yáng)聲器陣列的權(quán)重向量并據(jù)此對音頻信號進(jìn)行處理后驅(qū)動所述揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行聲音重放。

30、在一優(yōu)選的實施例中，所述音頻設(shè)備還包括和所述麥克風(fēng)陣列電連接的多通道adc數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述處理器和所述多通道adc數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電連接。

31、在一優(yōu)選的實施例中，所述處理器包括dsp芯片或fpga芯片。

32、根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的恒定波束形狀設(shè)計方法。

33、本發(fā)明采用以上方案，相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點：

34、本發(fā)明的恒定波束形狀設(shè)計方法，基于差分陣列，通過犧牲少量白噪聲增益，進(jìn)一步優(yōu)化提升恒定波束形狀性能，使得可以在整個頻段上波束形狀基本不變，相比于已有方法，在中高頻處有明顯改善。

技術(shù)特征：

1.一種基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，包括對如下最優(yōu)問題進(jìn)行求解，獲得麥克風(fēng)陣列或揚(yáng)聲器陣列的權(quán)重向量：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，定義最佳白噪聲增益表達(dá)式為其中，

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，目標(biāo)波束的系數(shù)向量

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，目標(biāo)波束表達(dá)式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，所述麥克風(fēng)陣列包括2m+1個麥克風(fēng)，或所述揚(yáng)聲器陣列包括2m+1個揚(yáng)聲器，且滿足條件m≥n+1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，所述麥克風(fēng)陣列為線性麥克風(fēng)陣列，或所述揚(yáng)聲器陣列為線性揚(yáng)聲器陣列。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，實際的波束圖表達(dá)式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒定波束形狀設(shè)計方法，其特征在于，將所述麥克風(fēng)陣列拾取的聲音信號轉(zhuǎn)換為頻域，各麥克風(fēng)通道的頻域聲音信號和對應(yīng)的權(quán)重相乘，疊加后轉(zhuǎn)換為時域，獲得最終輸出的聲音信號；或，將播放音源轉(zhuǎn)換為頻域，并和揚(yáng)聲器陣列的各個通道對應(yīng)的權(quán)重相乘后轉(zhuǎn)換為時域，獲得每個揚(yáng)聲器單元播放的聲音。

9.一種音頻設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至8任一項所述的恒定波束形狀設(shè)計方法。

10.一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至8任一項所述的恒定波束形狀設(shè)計方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法、音頻設(shè)備及存儲介質(zhì)。該恒定波束形狀設(shè)計方法包括對如下最優(yōu)問題進(jìn)行求解，獲得麥克風(fēng)陣列或揚(yáng)聲器陣列的權(quán)重向量。該基于差分陣列的恒定波束形狀設(shè)計方法通過犧牲少量白噪聲增益性能進(jìn)一步提升整個頻段上的恒定波束形狀。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡野鋒,葉超,馬登永,沐永生
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中科上聲（蘇州）電子有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2