麦克风阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及麦克风阵列，尤其涉及用在模态波束成形系统中的球形麦克风阵列。
【背景技术】
[0002]基于麦克风阵列的模态波束成形系统通常包括:均匀地分布在立体球或虚拟球的表面上用于将声音转换成电音频信号的多个麦克风的球形麦克风阵列；以及将由所述麦克风产生的音频信号组合以形成表示至少一部分声学声场的听觉场景的模态波束成形器。此组合允许取决于声信号的传播方向来拾取声信号。因而，麦克风阵列有时还被称作空间滤波器。球形麦克风阵列展现出低和高的频率极限，使得可仅在有限频率范围内准确地描述声场。低频率极限基本上是在所述阵列中的特定麦克风的指向性与此频率范围中的波长和必需的高程度放大相比较弱时产生，这导致(自)噪声的高程度放大且因此致使需要限制可用频率范围直至达到下限频率。可以通过空间混叠效应来阐释高频率问题。与时间混叠类似，空间混叠发生在对空间函数(例如，球谐函数)欠采样时。例如，为了辨别16个谐波，需要至少16个麦克风。另外，位置以及(取决于所用的球类型)麦克风的指向性都是重要的。空间混叠频率表征了在其中可使用球形麦克风阵列而不会产生任何明显混叠的频率范围的上临界频率。减少空间混叠的非所要效应是普遍所希望的。
【发明内容】
[0003]球形麦克风阵列可包含:声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。所述麦克风阵列还包括求和电路，所述求和电路将由所述至少两个麦克风产生的电信号加总以提供音频输出信号。所述求和电路经配置以通过麦克风特定加权因子使所述电信号中的每一者衰减。所述麦克风特定加权因子经配置以在所述麦克风上提供窗口函数。
[0004]球形麦克风阵列可包含:声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
[0005]在查看了以下图式和详细说明之后，其他系统、方法、特征和优点将为本领域的技术人员所显而易见或将变成显而易见。希望所有此类额外系统、方法、特征和优点将包含在本说明书中、将包含在本发明的范围内、且受以下权利要求书保护。
【附图说明】
[0006]参考以下图式和说明，可更好地理解所述系统。图式中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图式中，相同的元件符号遍及不同视图表示对应的部件。
[0007]图1是用在模态波束成形器系统中的示例性麦克风阵列的示意图。
[0008]图2是与图1中所示的球对应的具有切顶二十面体的形状的替代衍射结构的顶视图。
[0009]图3是成形为倒置球冠的具有声音反射表面和第一麦克风贴片的凹穴的横截面图。
[0010]图4是成形为倒置球冠的具有声音反射表面和第二麦克风贴片的凹穴的横截面图。
[0011]图5是连接在图3和图4的麦克风贴片下游的求和电路的电路图。
【具体实施方式】
[0012]图1是用在模态波束成形器系统2中的麦克风的公共阵列I (本文中被称作麦克风阵列I)的示意图，所述模态波束成形器系统2还包含连接在麦克风阵列I下游的波束成形器单元3。麦克风贴片4可按规则或半规则方式设置在刚性球的表面上。模态波束成形器3可包含分解器(也被称作本征波束成形器)、转向单元、补偿单元以及求和单元。麦克风阵列I中的每一麦克风贴片4产生音频信号，所述音频信号经由某一合适(例如，有线或无线)连接而传输到模态波束成形器单元3。
[0013]例如，麦克风阵列I可包括32个安装在任选凹穴5中的麦克风贴片4，所述凹穴5布置在采取“切顶二十面体”图案的充当衍射结构的声学刚性球6的表面处。将球的表面分割成相等的区域只有五种可能性。这五种几何形状(它们被称作规则多面体或柏拉图立体)分别由四个、六个、八个、12个和20个面组成。与规则分割接近的另一几何形状(它因此被称作“半规则”或“准规则”)是切顶二十面体，切顶二十面体是顶点被切掉(因此被称作“切顶”)的二十面体。此导致由20个六边形和12个五边形组成的立体。其他可能的麦克风布置可基于(例如)其他类型的柏拉图立体、阿基米德立体或卡塔兰立体。
[0014]柏拉图立体是具有规则多边形的全等面且相同数目的面会合于每一顶点处的规则凸多面体。五种立体满足这些准则，且每一立体以其面的数目来命名:四面体(四个面)、立方体或六面体(六个面)、八面体(八个面)、十二面体(十二个面)和二十面体(二十个面)。阿基米德立体是由在相同顶点中会合的两种或两种以上规则多边形组成的高度对称、半规则凸多面体。它们与柏拉图立体不同，柏拉图立体是由在相同顶点中会合的仅一种多边形组成。卡塔兰立体或阿基米德对偶是阿基米德立体的对偶多面体。卡塔兰立体全是凸的。它们是面可传递的而非顶点可传递的。这是因为对偶阿基米德立体是顶点可传递的且不是面可传递的。与柏拉图立体和阿基米德立体不同，卡塔兰立体的面不是规则多边形。然而，卡塔兰立体的顶点图是规则的，且它们具有恒定的二面角。另外，卡塔兰立体中有两种是边可传递的:斜方十二面体和斜方三十面体。这些多面体是两个半规则阿基米德立体的对偶多面体。卡塔兰立体中有两种是手性的:五角二十四面体和五角六十面体，它们是手性扭棱立方体和扭棱十二面体的对偶多面体。球形麦克风阵列可包含:声音衍射结构，所述声音衍射结构具有至少一个非规则、规则或半规则凸多面体的闭合三维形状，所述凸多面体具有规则或非规则多边形的全等面；以及至少两个全向麦克风，所述麦克风沿椭圆形线设置在所述声音衍射结构中或上，所述椭圆形线的中心设置在对向所述规则多边形的所述面中的一个面的中心的中心线上。
[0015]这些各自提供两个对映体。不将对映体计算在内，总共有13个卡塔兰立体。
[0016]与图1中所示的球对应且具有切顶二十面体7的形状的更一般的衍射结构示意性地示出于图2中。明确地说，切顶二十面体7经配置以承载32个麦克风且包含二十面体9 (具有20个面(即，六边形)的柏拉图立体)和十二面体8 (具有12个面(即，五边形)的柏拉图立体)。在此类布置中，十二面体8的12个五边形放置于球的极点处(每一极点处有六个五边形)且其余20个六边形沿赤道放置，致使此处具有稍高的传感器密度，此类布置在声学应用中提供了较高准确性，因为人类也是在水平面中比在垂直平面中具有较高的定位准确性。麦克风贴片4的中心的位置设置在多边形(例如，六边形和五边形)的中心处。
[0017]一般来说，使用的麦克风贴片越多，S卩，麦克风间的距离越短，上限频率将越高。另一方面，成本随麦克风的数目而增加。上限频率(也被称作空间混叠频率)表征了在其中可使用球形麦克风阵列而不会产生任何明显混叠的频率范围的上临界频率。
[0018]在图1中所示的布置中，位于五边形的中心处的每一麦克风贴片4(通过其中心表示)具有与之相距0.65a的五个相邻麦克风贴片，其中a是球6的半径。位于六边形的中心处的每一麦克风贴片4具有六个相邻麦克风贴片，其中三个是与之相距0.65a且另外三个是与之相距0.73a。应用采样定理且采用最坏的情况，当半径a = 5cm时，最大频率是4.7kHz。实际上，可预期稍高的最大频率，因为大多数麦克风距离小于0.73a，即0.65a。可通过减小球的半径来增大上频率极限。另一方面，减小球的半径将会降低低频率下的可实现指向性。
[0019]改善球形麦克风阵列的一种方式是使麦克风更具指向性。这背后的理论是每一传感器的指向性应尽可能地接近所希望的模式(本征波束)，这对应于具有零贡献的高度数谐波。如美国专利申请公开2007/0110257A以及Nicolas Epain和Jerome Daniel在2008年5月17日至20日在荷兰阿姆斯特丹举行的音频工程学会的124次大会上发表的论文“改善球形麦克风阵列(Improving Spherical Microphone Arrays) ”中公开的，可通过将全向麦克风设置在球内的凹穴的底端处来获得更具指向性的感测。
[0020]防止麦克风接收高度数球谐波的另一种方法是使用空间低通滤波，即，使麦克风对球的表面上的声场的快速变化不那么敏感。如果