麦克风阵列原理及应用

浅夏110

麦克风阵列原理及应用

01

—

什么是麦克风阵列

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。

6 d4 U: p- s2 \. }' w

  _/ A. l7 u: R# k

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。

7 Z: \% s/ g4 U2 c. r
7 s! f2 A: w+ W
! z- a& n( U0 \" `3 C3 x+ r; Q2 A* ~- ?

02

—

麦克风阵列的作用

$ C" C5 t) i) r! h* U  X" ]. {

麦克风阵列一般用于：
8 C& G) d6 K/ O

• 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
• 
• 03
  —
  
  声源定位技术
  
  
  • 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。
    
  
  
  
  . }/ S0 g( ^, u3 j* B0 [0 ~4 q
  04
  —
  
  信号的提取与分离
  
  
  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。
• 
• 05
  —
  , [. W  U& @; V3 u  Z  I6 {
  语音去混响
  
  
  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。
• 
• 混响的作用
  • 混响是声学中最重要的现象之一
    8 e& Z# S  Z; j! f8 B( L
    • 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。
      
  • 混响是建筑声学中要重点考虑的问题
    ) i9 M' G' }, l; s4 w  c, X
    • 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
        U/ R& E. I% a2 [8 D! k6 M
  
  " r" R( ]3 Q; t& |0 ^/ t2 t
  • 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。
    ! O' `* H& I( p3 E+ Q* z
  目前主流采用麦克风阵列+深度学习的方式来进行去混响。
• 
• 06
  —
  # v% ]# n5 o$ P2 B7 V' Y0 b
  线性麦克风阵列
  
  1 }2 e$ }; A' p/ n
  • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)
    
    • 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
    • 
    • • 差分麦克风阵列( Differential Microphone Array )
        , Z  O  R, Z. d& u5 J0 e) 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
        • 
          
        
    • 
      4 V+ \, f% o+ q. O( T) i9 K% ?; N
      07
      —
      
      平面麦克风阵列
      
      
      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
      • 
      • 08
        —
        . Y$ z+ }# |) {# @
        立体麦克风阵列
        
        7 _( @' r: P- |: t; u$ ?$ V  m
        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
          " {8 i' m! x2 K  ^% @6 Z+ f  a& V
          
          ( j% c0 X' ^' B& I! D. }
          09
          —
          
          麦克风阵列发展趋势
          
          
          
          • 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。
            
          
          
          • 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 F, G4 s4 I' H% u8 x
          
          ; F) {) w" m% y, j9 T9 Y; X  [* j——————————————————
          ( v5 r! e+ }. ~6 r2 [
          , o, M0 I+ _1 A; e; v) L2 M/ F转载于声学世界
          
        
        , Z; s/ L5 r2 x0 E' q- _
    • 
      
  
  : Q& M0 V5 d3 r+ T6 R' D