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

/ ]+ S. K0 L- L/ _4 t* v8 N# U

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。

" T* c2 v6 O* }- g
! T$ i( y" {) g, U5 w
! G$ k* g- u* F1 S) F0 A6 J9 D+ P1 J

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。

' i" _( s# n2 M# n/ B% A6 n4 V
: X; @) C) H6 }. b: ^
1 i/ C3 g" I) A2 ~

02

—

麦克风阵列的作用

麦克风阵列一般用于：
9 ^  J  t4 a, q% \. g# S

• 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
  
    r4 |3 V/ C( E# W
  • 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。
    ! v; b' _4 k$ c, E
  
  
  
  
  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
  —
  3 M/ c4 _3 U) u, p% O- U
  语音去混响
  
  ' q( j4 I4 U* f& }
  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
    
    • 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
    8 g% e  u# x6 P, v  V
    • 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
      ' y9 H& o  ?/ o/ `0 P' 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。
    ! n6 W9 N# o! c% W6 z+ E7 y8 x
  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
  —
  , U$ e9 n6 F3 y* X# l" F8 }
  线性麦克风阵列
  
  0 V) M) p/ ~( V" ?0 L3 q. z$ U0 z
  • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)
    * K7 [! {1 g$ Z: f# ]1 u# P3 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
    • 
    • • 差分麦克风阵列( Differential Microphone Array )
        
        • 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
        • 
          1 m1 X0 s1 `8 D7 w) P# z4 H
        
    • 
      + {! k9 z/ u4 }+ a5 J; x
      07
      —
      
      平面麦克风阵列
      
      & c( b: i4 S6 F7 v9 R
      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
        —
        
        立体麦克风阵列
        
        
        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
          / W: t- h( A' s$ `* m
          
            B0 b: _( u) D- W/ v
          09
          —
          
          麦克风阵列发展趋势
          
          
          7 O2 d5 T6 V( ^9 y- H
          • 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。
            4 H0 n# m+ n: A  n1 q0 o3 e" |
          
          $ @% B. m0 C: g: i- ]: M/ a' ^4 F. ]——————————————————
          ) M9 o9 D0 H% g
          转载于声学世界
          
        
        
    • 
      
  
  : k+ r3 j, b, n; R* B& W