麥克風(fēng)陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及麥克風(fēng)陣列，尤其涉及用在模態(tài)波束成形系統(tǒng)中的球形麥克風(fēng)陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]基于麥克風(fēng)陣列的模態(tài)波束成形系統(tǒng)通常包括:均勻地分布在立體球或虛擬球的表面上用于將聲音轉(zhuǎn)換成電音頻信號的多個(gè)麥克風(fēng)的球形麥克風(fēng)陣列；以及將由所述麥克風(fēng)產(chǎn)生的音頻信號組合以形成表示至少一部分聲學(xué)聲場的聽覺場景的模態(tài)波束成形器。此組合允許取決于聲信號的傳播方向來拾取聲信號。因而，麥克風(fēng)陣列有時(shí)還被稱作空間濾波器。球形麥克風(fēng)陣列展現(xiàn)出低和高的頻率極限，使得可僅在有限頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確地描述聲場。低頻率極限基本上是在所述陣列中的特定麥克風(fēng)的指向性與此頻率范圍中的波長和必需的高程度放大相比較弱時(shí)產(chǎn)生，這導(dǎo)致(自)噪聲的高程度放大且因此致使需要限制可用頻率范圍直至達(dá)到下限頻率?？梢酝ㄟ^空間混疊效應(yīng)來闡釋高頻率問題。與時(shí)間混疊類似，空間混疊發(fā)生在對空間函數(shù)(例如，球諧函數(shù))欠采樣時(shí)。例如，為了辨別16個(gè)諧波，需要至少16個(gè)麥克風(fēng)。另外，位置以及(取決于所用的球類型)麥克風(fēng)的指向性都是重要的。空間混疊頻率表征了在其中可使用球形麥克風(fēng)陣列而不會(huì)產(chǎn)生任何明顯混疊的頻率范圍的上臨界頻率。減少空間混疊的非所要效應(yīng)是普遍所希望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]球形麥克風(fēng)陣列可包含:聲音衍射結(jié)構(gòu)，所述聲音衍射結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)非規(guī)則、規(guī)則或半規(guī)則凸多面體的閉合三維形狀，所述凸多面體具有規(guī)則或非規(guī)則多邊形的全等面；以及至少兩個(gè)全向麥克風(fēng)，所述麥克風(fēng)沿橢圓形線設(shè)置在所述聲音衍射結(jié)構(gòu)中或上，所述橢圓形線的中心設(shè)置在對向所述規(guī)則多邊形的所述面中的一個(gè)面的中心的中心線上。所述麥克風(fēng)陣列還包括求和電路，所述求和電路將由所述至少兩個(gè)麥克風(fēng)產(chǎn)生的電信號加總以提供音頻輸出信號。所述求和電路經(jīng)配置以通過麥克風(fēng)特定加權(quán)因子使所述電信號中的每一者衰減。所述麥克風(fēng)特定加權(quán)因子經(jīng)配置以在所述麥克風(fēng)上提供窗口函數(shù)。
[0004]球形麥克風(fēng)陣列可包含:聲音衍射結(jié)構(gòu)，所述聲音衍射結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)非規(guī)則、規(guī)則或半規(guī)則凸多面體的閉合三維形狀，所述凸多面體具有規(guī)則或非規(guī)則多邊形的全等面；以及至少兩個(gè)全向麥克風(fēng)，所述麥克風(fēng)沿橢圓形線設(shè)置在所述聲音衍射結(jié)構(gòu)中或上，所述橢圓形線的中心設(shè)置在對向所述規(guī)則多邊形的所述面中的一個(gè)面的中心的中心線上。
[0005]在查看了以下圖式和詳細(xì)說明之后，其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所顯而易見或?qū)⒆兂娠@而易見。希望所有此類額外系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將包含在本說明書中、將包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)、且受以下權(quán)利要求書保護(hù)。
【附圖說明】
[0006]參考以下圖式和說明，可更好地理解所述系統(tǒng)。圖式中的部件不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理上。此外，在圖式中，相同的元件符號遍及不同視圖表示對應(yīng)的部件。
[0007]圖1是用在模態(tài)波束成形器系統(tǒng)中的示例性麥克風(fēng)陣列的示意圖。
[0008]圖2是與圖1中所示的球?qū)?yīng)的具有切頂二十面體的形狀的替代衍射結(jié)構(gòu)的頂視圖。
[0009]圖3是成形為倒置球冠的具有聲音反射表面和第一麥克風(fēng)貼片的凹穴的橫截面圖。
[0010]圖4是成形為倒置球冠的具有聲音反射表面和第二麥克風(fēng)貼片的凹穴的橫截面圖。
[0011]圖5是連接在圖3和圖4的麥克風(fēng)貼片下游的求和電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1是用在模態(tài)波束成形器系統(tǒng)2中的麥克風(fēng)的公共陣列I (本文中被稱作麥克風(fēng)陣列I)的示意圖，所述模態(tài)波束成形器系統(tǒng)2還包含連接在麥克風(fēng)陣列I下游的波束成形器單元3。麥克風(fēng)貼片4可按規(guī)則或半規(guī)則方式設(shè)置在剛性球的表面上。模態(tài)波束成形器3可包含分解器(也被稱作本征波束成形器)、轉(zhuǎn)向單元、補(bǔ)償單元以及求和單元。麥克風(fēng)陣列I中的每一麥克風(fēng)貼片4產(chǎn)生音頻信號，所述音頻信號經(jīng)由某一合適(例如，有線或無線)連接而傳輸?shù)侥B(tài)波束成形器單元3。
[0013]例如，麥克風(fēng)陣列I可包括32個(gè)安裝在任選凹穴5中的麥克風(fēng)貼片4，所述凹穴5布置在采取“切頂二十面體”圖案的充當(dāng)衍射結(jié)構(gòu)的聲學(xué)剛性球6的表面處。將球的表面分割成相等的區(qū)域只有五種可能性。這五種幾何形狀(它們被稱作規(guī)則多面體或柏拉圖立體)分別由四個(gè)、六個(gè)、八個(gè)、12個(gè)和20個(gè)面組成。與規(guī)則分割接近的另一幾何形狀(它因此被稱作“半規(guī)則”或“準(zhǔn)規(guī)則”)是切頂二十面體，切頂二十面體是頂點(diǎn)被切掉(因此被稱作“切頂”)的二十面體。此導(dǎo)致由20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形組成的立體。其他可能的麥克風(fēng)布置可基于(例如)其他類型的柏拉圖立體、阿基米德立體或卡塔蘭立體。
[0014]柏拉圖立體是具有規(guī)則多邊形的全等面且相同數(shù)目的面會(huì)合于每一頂點(diǎn)處的規(guī)則凸多面體。五種立體滿足這些準(zhǔn)則，且每一立體以其面的數(shù)目來命名:四面體(四個(gè)面)、立方體或六面體(六個(gè)面)、八面體(八個(gè)面)、十二面體(十二個(gè)面)和二十面體(二十個(gè)面)。阿基米德立體是由在相同頂點(diǎn)中會(huì)合的兩種或兩種以上規(guī)則多邊形組成的高度對稱、半規(guī)則凸多面體。它們與柏拉圖立體不同，柏拉圖立體是由在相同頂點(diǎn)中會(huì)合的僅一種多邊形組成。卡塔蘭立體或阿基米德對偶是阿基米德立體的對偶多面體?？ㄋm立體全是凸的。它們是面可傳遞的而非頂點(diǎn)可傳遞的。這是因?yàn)閷ε及⒒椎铝Ⅲw是頂點(diǎn)可傳遞的且不是面可傳遞的。與柏拉圖立體和阿基米德立體不同，卡塔蘭立體的面不是規(guī)則多邊形。然而，卡塔蘭立體的頂點(diǎn)圖是規(guī)則的，且它們具有恒定的二面角。另外，卡塔蘭立體中有兩種是邊可傳遞的:斜方十二面體和斜方三十面體。這些多面體是兩個(gè)半規(guī)則阿基米德立體的對偶多面體?？ㄋm立體中有兩種是手性的:五角二十四面體和五角六十面體，它們是手性扭棱立方體和扭棱十二面體的對偶多面體。球形麥克風(fēng)陣列可包含:聲音衍射結(jié)構(gòu)，所述聲音衍射結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)非規(guī)則、規(guī)則或半規(guī)則凸多面體的閉合三維形狀，所述凸多面體具有規(guī)則或非規(guī)則多邊形的全等面；以及至少兩個(gè)全向麥克風(fēng)，所述麥克風(fēng)沿橢圓形線設(shè)置在所述聲音衍射結(jié)構(gòu)中或上，所述橢圓形線的中心設(shè)置在對向所述規(guī)則多邊形的所述面中的一個(gè)面的中心的中心線上。
[0015]這些各自提供兩個(gè)對映體。不將對映體計(jì)算在內(nèi)，總共有13個(gè)卡塔蘭立體。
[0016]與圖1中所示的球?qū)?yīng)且具有切頂二十面體7的形狀的更一般的衍射結(jié)構(gòu)示意性地示出于圖2中。明確地說，切頂二十面體7經(jīng)配置以承載32個(gè)麥克風(fēng)且包含二十面體9 (具有20個(gè)面(即，六邊形)的柏拉圖立體)和十二面體8 (具有12個(gè)面(即，五邊形)的柏拉圖立體)。在此類布置中，十二面體8的12個(gè)五邊形放置于球的極點(diǎn)處(每一極點(diǎn)處有六個(gè)五邊形)且其余20個(gè)六邊形沿赤道放置，致使此處具有稍高的傳感器密度，此類布置在聲學(xué)應(yīng)用中提供了較高準(zhǔn)確性，因?yàn)槿祟愐彩窃谒矫嬷斜仍诖怪逼矫嬷芯哂休^高的定位準(zhǔn)確性。麥克風(fēng)貼片4的中心的位置設(shè)置在多邊形(例如，六邊形和五邊形)的中心處。
[0017]一般來說，使用的麥克風(fēng)貼片越多，S卩，麥克風(fēng)間的距離越短，上限頻率將越高。另一方面，成本隨麥克風(fēng)的數(shù)目而增加。上限頻率(也被稱作空間混疊頻率)表征了在其中可使用球形麥克風(fēng)陣列而不會(huì)產(chǎn)生任何明顯混疊的頻率范圍的上臨界頻率。
[0018]在圖1中所示的布置中，位于五邊形的中心處的每一麥克風(fēng)貼片4(通過其中心表示)具有與之相距0.65a的五個(gè)相鄰麥克風(fēng)貼片，其中a是球6的半徑。位于六邊形的中心處的每一麥克風(fēng)貼片4具有六個(gè)相鄰麥克風(fēng)貼片，其中三個(gè)是與之相距0.65a且另外三個(gè)是與之相距0.73a。應(yīng)用采樣定理且采用最壞的情況，當(dāng)半徑a = 5cm時(shí)，最大頻率是4.7kHz。實(shí)際上，可預(yù)期稍高的最大頻率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)麥克風(fēng)距離小于0.73a，即0.65a?？赏ㄟ^減小球的半徑來增大上頻率極限。另一方面，減小球的半徑將會(huì)降低低頻率下的可實(shí)現(xiàn)指向性。
[0019]改善球形麥克風(fēng)陣列的一種方式是使麥克風(fēng)更具指向性。這背后的理論是每一傳感器的指向性應(yīng)盡可能地接近所希望的模式(本征波束)，這對應(yīng)于具有零貢獻(xiàn)的高度數(shù)諧波。如美國專利申請公開2007/0110257A以及Nicolas Epain和Jerome Daniel在2008年5月17日至20日在荷蘭阿姆斯特丹舉行的音頻工程學(xué)會(huì)的124次大會(huì)上發(fā)表的論文“改善球形麥克風(fēng)陣列(Improving Spherical Microphone Arrays) ”中公開的，可通過將全向麥克風(fēng)設(shè)置在球內(nèi)的凹穴的底端處來獲得更具指向性的感測。
[0020]防止麥克風(fēng)接收高度數(shù)球諧波的另一種方法是使用空間低通濾波，即，使麥克風(fēng)對球的表面上的聲場的快速變化不那么敏感。如果