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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 |显示全部楼层
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    麦克风阵列原理及应用
    " C* }( Y; S* H" y0 K9 i5 e8 U$ U" I
    01
    什么是麦克风阵列
    ) e$ ?% X  P% E2 n! y" o( 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。
    , x2 O4 G4 z4 C4 S) \6 ?: W
    2.jpg

    1 Q7 m, ]( l+ @+ f& F9 g$ H' o) S% G" `  k( t, k) M8 n
    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。

    ' r/ |4 _# n9 r! ^5 p- F7 B) o  u% c& i  a
    " \' e) M: @9 d
    02
    , Z5 W2 V5 ^# ~' P
    麦克风阵列的作用

    & D# T: h& K0 q7 E. U3 a
    麦克风阵列一般用于:! m7 q4 U/ q7 N3 b
    • 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
      ' A3 s/ z& R8 ?$ h" g
      声源定位技术
      8 _* ]3 w/ E& C- H5 C+ _) X
      • 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。! S& `( J% |7 H  i" e* n

      ) }% X4 y$ E9 k
      3 h$ Y; l+ H# z& X: w  ~1 ~4 M! ^' _" j8 X% s- U
      04
      # \/ K3 e1 B- J6 Q2 K* V
      信号的提取与分离
      + d# p/ N! K; L1 D
      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

      # c/ b% K! O" w9 E5 d
      语音去混响
      ) H+ k) I7 U5 I, k
      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一5 b/ ~# z/ F! ^& Y5 \
        • 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。
          6 h! l+ |- K1 B. d" ], O: b
      • 混响是建筑声学中要重点考虑的问题
        $ M  h. i; m# y  @' R% `' }/ a
        • 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2.05s1 x7 \6 O) W) b  ~3 }) |% r
      7 I7 S; _+ ]! \" D4 }9 q6 Y7 R3 m
      • 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。
        6 o/ ~% I. x* B) I7 z3 c# A" v
      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
        R, `5 C. C+ H) f4 W: V
      线性麦克风阵列

      / P# }4 r; p' w2 j' c* E8 `+ I
      • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)3 d. l& m; q2 f+ \3 }0 R
        • 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 ). J/ R% b5 b" w
            • 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
              + k+ L% ?4 {, J" I9 @5 K
              8.jpg
            9.jpg

          •   {6 e4 k% M! Q! p) y; @
            07

            - c2 v2 S" t2 g- D- n1 t) y8 F
            平面麦克风阵列
            " a$ e* Z# V+ H( o) N
            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

              2 j5 |$ Q, U: v1 N) A- h
              立体麦克风阵列

              , M( y$ U7 B7 x4 D8 P
              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
                ( X% ]( R5 y: P0 u2 ~  C 11.jpg

                6 `3 O. G$ l9 ^* k/ e6 I9 j 12.jpg

                $ ~& i% n0 A; X
                09

                $ t( P; b7 h( A% h9 y# |
                麦克风阵列发展趋势
                % Z3 X; m2 D; m3 M6 M9 \/ O9 _
                $ C& s5 T& \% }- X* k+ m
                • 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。
                  7 V0 A8 R9 ]9 v4 ]/ a

                , i! Q9 Q. d$ H% }3 w
                • 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# k4 ]9 g! Q

                2 k  x  J! P' P2 ^——————————————————
                ) x9 u6 Z# K/ a  k  P2 |/ }7 D
                * D/ q$ W! P; @7 T" {  A转载于声学世界- I% i+ p4 @1 c3 ~8 h
              % K8 ~) G0 p6 Y
        • ) G* ]7 ^  h' z" D" s/ }
      4 k4 [1 F7 x, P" d7 w$ H; W8 A
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    + y9 R: E6 b# ~' g' u
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