麦克风阵列的基本原理、结构组成及声学效果简介

[导读] 麦克风阵列具有对远场干扰噪声很强的抑制作用,应用于便携IT设备如PDA、GPS、NB、手机等在较大噪声环境中使用时表现出较好的效果。小型麦克风阵列由一组麦克风单元在一个小范围内按照一定空间分布组合而成,由于它在噪声环境下具有良好的信号采集性,因此越来越受到声学应用领域的关注。

阵列(Array):数学定义——有限个相同资料形态之元素组成之集合

麦克风阵列具有对远场干扰噪声很强的抑制作用,应用于便携IT设备如PDA、GPS、NB、手机等在较大噪声环境中使用时表现出较好的效果。小型麦克风阵列由一组麦克风单元在一个小范围内按照一定空间分布组合而成,由于它在噪声环境下具有良好的信号采集性,因此越来越受到声学应用领域的关注。

一、波束的形成

麦克风阵列是指按一定距离排列放置的一组麦克风,通过声波抵达阵列中每个麦克风之间的微小时差的相互作用,麦克风阵列可以得到比单个的麦克风更好地指向性。在麦克风阵列的设计中首要的改进是引入了波束成形、阵列指向性与波束宽度的概念。

通过对所有麦克风信号的综合处理,麦克风阵列可以组合成为所要求的强指向性麦克风,形成被称为“波束”的指向特性。麦克风阵列的波束可以经由特殊电路或程序算法软件控制,使其指向声源方向而加强音频采集效果。

阵列算法处理后的指向性波束形成技术能精确的形成一个锥状窄波束,只接受说话人的声音同时抑制环境中的噪音与干扰。

可以通过以下两种方法获得麦克风阵列单元之间相对位置的信息:

(1) 把一对麦克风同步采集到的信号进行互相关,寻找互相关信号的最大值,得到两信号之间的延时τ,再乘以声波传播速度C0得到相对位置间距:

c1

(2) 测量一对麦克风同步采集信号相位差ΔΦ,根据频率f和声传播速度C0得到这一对麦克风的位置间隔:

c2

经过计算及试验验证,相位法分析麦克风相对位置差的精度要比互相关法分析的精度高。

通过算法控制,麦克风阵列在搜索到讲话者的位置之后可以将波束指向当前的讲话者。麦克风阵列这种极强的智能指向性功能可以显著降低周边环境噪声及回声的影响。

图1 使用单麦克风与采用波束形成技术麦克风阵列接收讲话者声音效果的对比

图1 使用单麦克风与采用波束形成技术麦克风阵列接收讲话者声音效果的对比

二、阵列指向性

由于麦克风阵列的输出信号中包含比单只麦克风更低的噪声和回声成份,所以其固有噪声抑制能力要远高于单只麦克风。麦克风阵列在1000Hz的典型指向性波束图型如图2所示。

其指向性图形要远好于任一款价格昂贵的高性能超心形麦克风。

其指向性图形要远好于任一款价格昂贵的高性能超心形麦克风。

图2 麦克风阵列在1000Hz的典型指向性波束图型

三、指向性指数

另一个表证波束的参数是指向性指数。指向性指数D表征的是麦克风阵列主响应轴(波束轴线)检测到的声源信号与需要屏蔽的各种噪声与回声信号的比值。

mai03 mai04 mai05 mai06

其中:

P(f, φ, θ):声源信号之声能

ρ0:与参考点的平均距离)

(φT, θT):与参考声轴的角度

图3 作为频率函数的麦克风阵列指向性图案,剖面为水平方向

图3 作为频率函数的麦克风阵列指向性图案,剖面为水平方向

图4 阵列指向性指数的比较

图4 阵列指向性指数的比较

图4表示出单只单指向麦克风、双麦克风阵列、四麦克风阵列指向性指数的比较图表。从图中可以看出双麦克风阵列、四麦克风阵列依次较单指向麦克风指向性指数有接近3dB、6dB以上的提升改进。

图5 表示采用麦克风阵列后形成的波束3D效果

图5 表示采用麦克风阵列后形成的波束3D效果

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