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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
    # y, p, k0 M$ h4 H5 `
    01
    什么是麦克风阵列

    / U7 \3 _$ v0 }7 P
    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。

    ; c4 }3 }% W0 y6 q0 U, e# W 2.jpg
    ) y! S) W1 `2 `* C* _7 e) }
    - F' i$ I( X2 t. x3 P) q; z: O
    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。
    / d9 n1 K9 @5 Q) c  ?
    5 F9 `% W1 u! t  N! [& }

    / i  a6 q5 a0 s+ |9 ~7 |
    02
    " ?1 ?9 Q' J' E& E
    麦克风阵列的作用

    $ d  L: S: R) j: S
    麦克风阵列一般用于:
    & C% W( t) h: B9 h+ }# O# W- 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
    • 1.jpg
    • 03

      ! p0 a7 S9 x7 P9 W* i, j2 x; ]
      声源定位技术

      2 n1 H  \# t) }
      • 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。" |  P% ?/ j! L6 V& m; v5 u4 y3 k4 z

      5 r3 L* t. u' l  U# N, E0 f$ x( p/ d

      2 h: v. q5 {1 r# p* X
      04

      3 W, M: c$ i5 _; a3 S' x
      信号的提取与分离
      - Z* m5 _9 w; R' c9 K! D5 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

      1 q& ^0 D" K% a
      语音去混响
      ) M7 F7 C  a3 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; @( Q9 x* v( T$ c( y! 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。, W) e3 p. K$ O3 m( Q% q
      • 混响是建筑声学中要重点考虑的问题; r9 G2 i1 a0 {9 \# R! 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
          % A; |. {/ d' [1 m* ^" A

      / X0 Z! J* I5 ?
      • 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。/ k7 j4 ?; _1 L" c$ u
      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

      & m  I* h: M+ t! u, V$ ]/ l% z
      线性麦克风阵列
      1 U- o6 Y( r9 \$ l0 |/ {* j
      • 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array)# H' y; U) x# y
        • 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 )
            , R/ c- t2 e2 j) W) b: l7 R' z
            • 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 ) L- m3 z) Y0 w: H
              8.jpg
            9.jpg

          • . W6 s/ f5 U* |" a
            07

            ! C* z8 N8 V! W  c0 g
            平面麦克风阵列

            $ O/ [1 l" O$ I9 v
            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
                l2 K  ]& }: D
              立体麦克风阵列

              . ?9 c  ^2 j0 Y  {$ c" n% ?
              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
                0 W3 q4 v. ]8 N: D4 z# F 11.jpg
                / E! l- J" T) r. d 12.jpg " J5 Z+ ^0 b& d0 b5 r
                09

                3 T* |% Y3 |+ F# q8 {& X; S1 c
                麦克风阵列发展趋势

                - x$ o6 G) H: U2 n" M1 T" m& D# x3 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。
                  0 @% E+ t! [6 K! C' D& A' N  C
                $ R# ]3 A' R% J  y! k
                • 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 F: W. H; D0 ?" c

                : f8 l7 x; z  t7 p——————————————————/ u% V/ c  }- J" l% h8 r
                ; D6 E& q6 u( u) P) U: z3 O
                转载于声学世界
                . @- a4 i* y- v1 |: ]4 p, X

              9 N, i; j. a# S4 g

        • 2 o/ s8 R( h7 }2 D3 n& T
      7 {# n* U0 y  ^1 d
    8 Y" B5 F7 d! }4 k: }  u

    ; @& \* ]( H% u# X
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