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麦克风阵列原理及应用

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    1#
    发表于 2020-5-15 10:16 |只看该作者 |倒序浏览
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    麦克风阵列原理及应用" L7 |2 |- w) R! S. ?  e$ {
    01
    什么是麦克风阵列

    ' x9 _+ U- t; B8 \
    麦克风阵列是由一定数目的麦克风组成,对声场的空间特性进行采样并滤波的系统。

    ( X8 l0 o' v0 f5 v 2.jpg
    / E( I5 b$ Z, \' L: \! g6 V# _# w9 N7 i5 }. }
    目前常用的麦克风阵列可以按布局形状分为:线性阵列,平面阵列,以及立体阵列。其几何构型是按设计已知,所有麦克风的频率响应一致,麦克风的采样时钟也是同步的。

      D# ?  R4 M' M$ c8 |" [$ [" j6 J7 A

    * A# b+ F: _8 ^* X6 l
    02

    1 `1 Z; {# q5 F5 ]7 {/ x
    麦克风阵列的作用

    4 {9 w/ q5 ~/ H( Z" k
    麦克风阵列一般用于:- r! l. E! H0 k0 s4 A# A2 C' f
    • 声源定位,包括角度和距离的测量
    • 抑制背景噪声、干扰、混响、回声
    • 信号提取
    • 信号分离
    • 1.jpg
    • 03

      # L* z, z" W3 F' z" z
      声源定位技术
      7 m, G" _# p, x* G
      • 利用麦克风阵列计算声源距离阵列的角度和距离,实现对目标声源的跟踪。
      • 基于TDOA(Time Difference Of Arrival,到达时间差)的声源定位技术。估计信号到达两两麦克风之间的时间差,从而得到声源位置坐标的方程组。然后求解方程组即可得到声源的精确方位坐标。
        , c2 ~- c7 A% \% n
      . K0 v/ A0 h9 M% W! k% _

      $ d6 Y& L) J. r: x0 f5 M8 R& Y7 \: j( ^- L: B
      04
      / }# z5 W) z  [3 g! A4 A
      信号的提取与分离

      9 O# W1 p+ L4 n5 Z
      通过波束形成技术,在期望方向上有效地形成一个波束,仅拾取波束内的信号,从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的。
    • 3.jpg
    • 05
      / G. d. ~! J5 F3 _7 I
      语音去混响

      ' j8 [# X* o! @$ U/ o7 R
      混响(Reverberation)是指声波在室内传播时,被墙壁、天花板、地板等障碍物形成反射声,并和直达声形成叠加的现象。
    • 4.jpg
    • 混响的作用
      • 混响是声学中最重要的现象之一
        # m# b* p2 T: v! P/ p
        • 合适的混响会使得声音圆润动听、富有感染力。
        • 混响时间太长会使得声音含糊不清,听不清楚。3 U6 H2 X3 K3 e* u& ]5 f6 ^
      • 混响是建筑声学中要重点考虑的问题
        5 L( E0 e3 k6 S  `1 j
        • 演讲厅要短一些的混响时间,比如北京学术报告厅混响时间为1s
        • 交响乐则需要长一些的混响时间,比如上海音乐厅混响时间为1.5s,维也纳音乐厅为2.05s# [/ E+ ]4 I; F# E
      1 f) F& N* S; D: S1 d9 e4 p; r, q
      • 过大的混响会带来音素的交叠掩蔽现象,严重影响语音识别效果,尤其是远距离语音识别。( D* {' d8 o( b8 A- G
      目前主流采用麦克风阵列+深度学习的方式来进行去混响。
    • 5.jpg
    • 06
      ( B( n' c5 m6 ~6 r4 |
      线性麦克风阵列
      ( B6 w% k/ F9 t" j6 {5 ~3 }8 t
      • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)
        - N" X* f" a0 x+ \. L6 o
        • 阵列的输出是各阵元的加权和
        • 最优波束方向可调
        • 结构简单、方便布局
        • 适用于车载、家电等场合
        • 6.jpg
          • 差分麦克风阵列( Differential Microphone Array )
            ) I- B) c  `' p
            • 阵列的输出是两两麦克风之间的加权相减
            • 最优波束方向只能在末端方向
            • 适用于耳机通话等场合
            • 7.jpg 2 A0 v7 p( W  b; L
              8.jpg
            9.jpg
          • 6 P( l! Q6 ^* S' F
            07
            7 u+ S' E7 q9 n
            平面麦克风阵列
            % S! ?) b% _0 m( ?  [
            平面麦克风阵列(Planar Microphone Array )
            • 实现平面360度等效拾音
            • 麦克风个数越多,空间划分越精细,语音增强和降噪效果越好
            • 广泛用于智能音箱和交互机器人上
            • 10.jpg
            • 08

              % l& G6 d- H" B; x/ w+ O5 L' M
              立体麦克风阵列
              + ^9 C; n+ J. r$ k0 |1 A" d
              立体阵列麦克风(3-D Microphone Array )
              • 真正实现全空间360度无损拾音
              • 解决了平面阵高俯仰角信号响应差的问题
                ) S$ ^) ?* q$ x+ q  }! k4 d 11.jpg
                0 t& B- t$ G5 B% ^ 12.jpg
                1 Q+ _8 r' |/ t
                09
                ; ~$ ?3 p/ c9 D
                麦克风阵列发展趋势

                ' S5 e6 X4 K$ @$ Z% ~6 e! C
                4 Q' d9 a1 Z/ v+ l6 Q* |
                • 多传感器的融合。声学麦克风,光学麦克风,骨传导麦克风的多模态降噪。提高信噪比,以及适应不同的环境。
                  8 j- @+ N6 ?# W9 L
                " q# S/ b/ n/ {8 ^5 {
                • 分布式麦克风阵列。客厅,卧室,厨房,餐厅,手持各类麦克风的数据实时融合处理。在更大范围内实现真正的全方位拾音。
                  1 D( u4 G9 c! U! P  a: C- `5 h7 q
                ( A6 T. g; q: x
                ——————————————————6 M% i+ J; i0 A" _
                1 o5 s' n5 }6 D$ H. t
                转载于声学世界
                ( U; m0 Y( T. S3 s& P0 P' }

              / F: ?  Z4 x! u* Z

        • . [. s4 v  a/ L; S

      2 E+ }5 q* w3 s% ~9 R/ s

    ( W9 A, v5 B( Q7 ]1 W+ G% L$ v3 N6 t" W" N# A  x8 v' J0 P. E% w
    zan
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