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【詳解】麥克風陣列的基本原理、結構組成及聲學效果簡介

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【詳解】麥克風陣列的基本原理、結構組成及聲學效果簡介

發布日期:2018-10-08 作者: 點擊:

陣列(Array):數學定義——有限個相同資料形态之元素組成之集合


  麥克風陣列具有對遠場幹擾噪聲很強的抑制作用,應用于便攜IT設備如PDA、GPS、NB、手機等在較大噪聲環境中使用時表現出較好的效果。小型麥克風陣列由一組麥克風單元在一個小範圍内按照一定空間分布組合而成,由于它在噪聲環境下具有良好的信号采集性,因此越來越受到聲學應用領域的關注。

  一、波束的形成

  麥克風陣列是指按一定距離排列放置的一組麥克風,通過聲波抵達陣列中每個麥克風之間的微小時差的相互作用,麥克風陣列可以得到比單個的麥克風更好地指向性。在麥克風陣列的設計中首要的改進是引入了波束成形、陣列指向性與波束寬度的概念。

  通過對所有麥克風信号的綜合處理,麥克風陣列可以組合成為所要求的強指向性麥克風,形成被稱為“波束”的指向特性。麥克風陣列的波束可以經由特殊電路或程序算法軟件控制,使其指向聲源方向而加強音頻采集效果。

  陣列算法處理後的指向性波束形成技術能精确的形成一個錐狀窄波束,隻接受說話人的聲音同時抑制環境中的噪音與幹擾。

  可以通過以下兩種方法獲得麥克風陣列單元之間相對位置的信息:

  (1) 把一對麥克風同步采集到的信号進行互相關,尋找互相關信号的最大值,得到兩信号之間的延時τ,再乘以聲波傳播速度C0得到相對位置間距:

12

12


  (2) 測量一對麥克風同步采集信号相位差ΔΦ,根據頻率f和聲傳播速度C0得到這一對麥克風的位置間隔:

2


  經過計算及試驗驗證,相位法分析麥克風相對位置差的精度要比互相關法分析的精度高。

  通過算法控制,麥克風陣列在搜索到講話者的位置之後可以将波束指向當前的講話者。麥克風陣列這種極強的智能指向性功能可以顯著降低周邊環境噪聲及回聲的影響。

  二、陣列指向性

  由于麥克風陣列的輸出信号中包含比單隻麥克風更低的噪聲和回聲成份,所以其固有噪聲抑制能力要遠高于單隻麥克風。麥克風陣列在1000Hz的典型指向性波束圖型如圖2所示。

  其指向性圖形要遠好于任一款價格昂貴的高性能超心形麥克風。

  三、指向性指數

  另一個表證波束的參數是指向性指數。指向性指數D表征的是麥克風陣列主響應軸(波束軸線)檢測到的聲源信号與需要屏蔽的各種噪聲與回聲信号的比值。

23


  其中:

  P(f, φ, θ):聲源信号之聲能

  ρ0:與參考點的平均距離)

  (φT, θT):與參考聲軸的角度


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