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麦克风阵列原理及应用

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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。

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。



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麦克风阵列的作用


麦克风阵列一般用于:

  • 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



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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。




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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。


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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

    • 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

    • 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


  • 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。


目前主流采用麦克风阵列+深度学习的方式来进行去混响。



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线性麦克风阵列


  • 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 )

    • 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





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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




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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





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。


  • 基于深度学习的麦克风阵列。用多麦克风+神经网络,来取代双耳结构+大脑信号处理机制。


  • 最终目标:达到人类听力水平;用两个麦克风让机器能听清10米-20米的声音;实现鸡尾酒会效应。


  • 本地和云端识别紧耦合,配合使用也是一个大的趋势。






来源:声学号角
Additive光学建筑声学机器人
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首次发布时间:2022-11-01
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声学号角
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