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麦克风阵列原理及应用

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    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! g. \' b) p; U" m  @! F3 h
    01
    什么是麦克风阵列
    ( |8 [/ X) V6 @5 L% C. I
    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。
    ( c3 b( o, d- G# d+ j
    2.jpg " M* P1 f  T. Q4 h" U

    7 `. K# M6 b  d$ |9 ^- ?' V
    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。

    + t3 z# b+ S! @
    $ G- R+ {. P# O3 F4 t/ d/ J
    + M" Y* [1 Q4 ~$ ~
    02
    8 }3 T  x- d" [, M6 @
    麦克风阵列的作用
    5 h( H6 i! X1 u% \& s+ c# d; n) T: {
    麦克风阵列一般用于:
    - G3 n% w% ?0 |( n( 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
      5 U0 n  n# T2 x
      声源定位技术
      9 \, G! S% r6 Z) O0 |& A9 g( B4 l
      • 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。% f. ?5 x: O' U7 {

      5 u( }3 V; P9 [- h8 v2 m1 _) Y* @1 Q
      $ Q. p) E9 q( D3 V, W& N7 w: Y( b0 F
      04
      1 y; r+ L; r5 b$ v
      信号的提取与分离

      ; g4 x* L2 n1 ?6 D! ]5 p9 x
      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

      ; O1 N3 e6 N. E
      语音去混响

      : {5 x+ T1 w2 r; H, |+ c
      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一1 z) v& h, i! K- h( i- U
        • 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。
          8 t- F: {3 t/ d4 N
      • 混响是建筑声学中要重点考虑的问题% ]2 j. k# \; K, c* V: B# F
        • 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
          / K5 R) u2 A5 H$ Q$ @

      9 E" T5 a5 ^) j( 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。
        ( p) P- n' `9 ~9 @- F
      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

      - Q/ t$ m' ~# A# z% S1 ~5 c3 g
      线性麦克风阵列
      - G% H5 @) X5 Q% x, B6 K
      • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)
        ( z7 z/ L/ h% ?2 M$ A
        • 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 )" `+ K0 e. Q5 [! Q) x" |
            • 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 - S! T" \" m8 y8 a$ t" g3 u: F( c0 K) D: e
              8.jpg
            9.jpg
          • 2 w, V6 N$ O! n' H1 ?' I
            07
            5 k, b, l5 Q) A
            平面麦克风阵列
            , R7 w- ]& e2 |6 @6 B# X( ]! G
            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

              # q& Y: G5 s: N! `& d
              立体麦克风阵列
              0 a- ]$ k8 O8 k: \: p1 v
              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( p0 F( d, g/ [4 C- \2 j
                11.jpg % A: b4 J+ A6 m& ^
                12.jpg
                0 L8 i2 u1 h) W8 J8 V& z' x. R
                09
                6 ~+ W% O; `6 p& C# f; T' K/ B
                麦克风阵列发展趋势
                $ E. i7 ?' n/ j$ D2 x
                ( E$ z4 H2 f: H8 _$ U/ I! I
                • 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。
                    L9 k5 r# u9 V5 f, m
                + ?. Q2 _8 x+ b' p. ^6 S  A/ U
                • 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。) k* _/ A7 U. u+ Z3 B: G% b

                & @! _# E6 v6 K% K0 N——————————————————
                8 o$ K$ d6 g1 f4 G: G2 }* @
                6 n$ u/ [4 `. s) h/ c# J( v转载于声学世界' X/ z4 T/ G) W0 X* d$ G* G6 d

              3 d6 u, F0 n+ g) j" R

        •   C+ m# U' I' W* n9 q9 L
      * _* ]) r+ P1 R# }: z; M
    1 }* t" ~+ l" O
    2 g2 v3 C( w+ M' o$ B' A. i4 Y2 u, i
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