专利名称：用于消除后方噪声的设备和方法
技术领域：
以下描述涉及一种从输入声音消除噪声的设备和方法，更具体地讲，涉及一种用于使用包括麦克风阵列的数字声音获取设备从输入声音消除噪声的设备和方法。
背景技术：
在记录声源或通过移动数字装置接收声音信号等的情形中，各种噪声和环境声音通常包括在声音中。为了克服这种情况，已开发了对用户期望从各种混音中获取的特定声源信号进行放大的方法。可选地，还开发了从各种混音中消除不必要的噪声的方法。最近， 用于更准确地获取目标声源信号(例如，以具有用于视频呼叫和语音识别服务的较好品质的声源信号)的技术的需求增加。
发明内容
在一总体方面，提供了一种消除从后方向输入的噪声的设备，所述设备包括声学信号输入单元，被配置为包括三个或更多个麦克风，所述三个或更多个麦克风包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在与第一麦克风不对称的位置的第二麦克风以及布置在与第一麦克风对称的位置的第三麦克风；声学信号处理单元，被配置为使用从第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风接收的声学信号消除后方噪声。声学信号处理单元还可被配置为包括频率变换单元，被配置为分别将由第一麦克风接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；相位补偿单元，被配置为对关于从后方向输入的声波的第二声音信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；第一方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；第二方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；波束处理单元，被配置为使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。麦克风的对称布置可导致关于从背面沿与所述设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置可导致关于从背面沿与所述设备垂直的方向输入的声波的声学信号的相位差等于或大于所述特定阈值。相位补偿单元还可被配置为为了使第一指向性方向近似于第二指向性方向，使用预先存储的相位差对第二声学信号的相位进行补偿。预先存储的相位差可以是关于从背面沿垂直于所述设备的方向输入的声波的第一声学信号与第二声学信号之间的相位差。第一方向滤波器还可被配置为使用具有补偿的相位的第二声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量形成第一权重滤波器，并将第一权重滤波器应用到第一声学信号以获得第一输出信号。第一方向滤波器还可被配置为将值1分配给第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第一权重滤波器。第二方向滤波器还可被配置为使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器，并将第二权重滤波器应用到第一声学信号，以获得第二输出信号。第二方向滤波器还可被配置为将值1分配给第一声学信号与第三声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第二权重滤波器。波束处理单元还可被配置为使用频率分量形成波束处理滤波器，并将波束处理滤波器应用到第一声学信号以获得消除了后方噪声的输出信号，其中，所述频率分量允许第一输出信号的相位小于预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值。波束处理单元还可被配置为将值1分配给允许第一输出信号的相位小于所述预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的频率分量，并将值0分配给剩余频率分量，以产生波束处理滤波器。在另一总体方面，提供了一种在用于消除噪声的设备中使用的消除噪声的方法， 所述方法包括步骤使用声学信号输入单元接收声学信号，该声学信号输入单元被配置为包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在与第一麦克风对称的位置的第二麦克风以及布置在与第一麦克风不对称的位置的第三麦克风；分别将由第一麦克分接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；对关于从后方向输入的声波的第二声学信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。麦克风的对称布置可导致关于从背面沿与设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置可导致关于从背面沿与设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或大于所述特定阈值。对相位进行补偿的步骤可包括为了使第一指向性方向近似于第二指向性方向， 使用预先存储的相位差对第二声学信号的相位进行补偿。预先存储的相位差可以是关于从背面沿垂直于所述设备的方向输入的声波的第一声学信号与第二声学信号之间的相位差。形成第一波束的步骤可包括使用具有补偿的相位的第二声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量形成第一权重滤波器，并将第一权重滤波器应用到第一声学信号，以获得第一输出信号。形成第二波束的步骤可包括使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器，并将第二权重滤波器应用到第一声学信号，以获得第二输出信号。消除从后方向输入的声学信号的步骤可包括使用频率分量形成波束处理滤波器并将波束处理滤波器应用到第一声学信号以获得消除了后方噪声的输出信号，其中，所述频率分量允许第一输出信号的相位小于预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值。消除从后方向输入的声学信号的步骤可包括将值1分配给允许第一输出信号的相位小于所述预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的频率分量，并将值0分配给剩余频率分量，以产生波束处理滤波器。在另一总体方面，提供了一种消除后方噪声的设备，所述设备包括声学信号输入单元，被配置为包括布置在线对称的表面上的三个或更多个麦克风，所述三个或更多个麦克风包括一个基准麦克风、布置在关于线对称表面的对称线与基准麦克风对称的位置的至少一个麦克风以及布置在关于所述对称线与基准麦克风不对称的位置的至少一个麦克风； 声学信号处理单元，被配置为使用从所述三个或更多个麦克风输入的声学信号消除后方噪声。声学信号输入单元还可被配置为包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在关于所述对称线与第一麦克风不对称的位置的第二麦克风以及布置在关于所述对称线与第一麦克风对称的位置的第三麦克风。声学信号处理单元还可被配置为包括频率变换单元，被配置为分别将由第一麦克风接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；相位补偿单元，被配置为对关于从后方向输入的声波的第二声音信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；第一方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；第二方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；波束处理单元，被配置为使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。在另一总体方面，一种消除后方噪声的方法，所述方法包括步骤从在共享的表面上的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风接收信号，第二麦克风在所述表面上关于第一麦克风不对称，第三麦克风在所述表面上关于第一麦克风对称；根据由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿；消除信号中的由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差近似等于由第一麦克风接收的信号与由第三麦克风接收的信号之间的相位差的部分。可关于从后方垂直方向输入的声波对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿， 使得由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差等于或小于第一阈值。麦克风的对称布置可导致关于从后方垂直方向输入的声波的信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置可导致关于从后方垂直方向输入的声波的信号之间的相位差等于或大于所述特定阈值。在另一总体方面，一种装置，包括用于消除噪声的设备，该设备包括设置于共享的表面上的用于接收信号的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风，第二麦克风在表面上关于第一麦克风不对称，第三麦克风在表面上关于第一麦克风对称；控制器，用于根据由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿，消除信号中的由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差近似等于由第一麦克风接收的信号与由第三麦克风接收的信号之间的相位差的部分。可关于从后方垂直方向输入的声波对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿， 使得由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差等于或小于第一阈值。其他特点和方面从以下详细的描述、附图和权利要求中将是清楚的。
图1是示出用于消除后方噪声的设备的示例的示图。图2是示出图1中示出的设备的配置的示例的示图。图3A是示出包括三个麦克风的声学信号输入单元的配置的示例的示图。图;3B是示出包括多于三个麦克风的声学信号输入单元的配置的示例的示图。图4A是具有位于彼此不对称的位置的麦克风的声学信号输入单元的示例的示图。图4B是示出存在沿允许两个麦克风的声源的相位彼此相同的特定方向上移动的入射声波的示例的示图。图4C是示出分别通过图4B示出的声学信号输入单元的基准麦克风、不对称麦克风和对称麦克风接收的声学信号的相位的示例的曲线。图5是示出波束形式的区域的示例的示图，在所述区域中，位于彼此对称的位置的两个麦克风接收的声学信号的相位差小。图6A是示出波束形式的区域的示例的示图，在所述区域中，位于彼此不对称的位置的两个麦克风接收的声学信号的相位差小。图6B是示出波束形式的区域的示例的示图，在所述区域中，相位已被补偿的图6A 的声学信号的相位差小。图7是示出图2中示出的第一方向滤波器的操作的示例的示图。图8是示出如何消除后方噪声的示例的示图。图9A是示出图2中示出的波束处理单元的操作的示例的示图。图9B是示出产生通过波束处理滤波器的处理消除了后方噪声的输出信号的操作的示例的示图。贯穿附图和详细描述，除非另有说明，相同附图标号应理解为指示相同元件、特征
9和结构。为了清楚、例证和方便，可以夸大这些元件的相对大小和描绘。
具体实施例方式提供以下描述以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。 因此，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将被建议给本领域的普通技术人员。此外。为了更加清楚和简明，可省略已知功能和构造的描述。图1示出用于消除后方噪声(rear noise)的设备的示例。设备100可包括具有多个麦克风的声学信号输入单元210。这样的麦克风阵列用于从特定方向(即，面对麦克风阵列的方向)接收期望的声音。如图1示出的示例中所指示的，声学信号可从位于设备 100的前方的目标声源和位于设备100的之后的后方声源被传送到设备100。如前所述，从各种声源发出各种声音，与来自面对声学信号输入单元210的后方的声源的声音或来自设备100的背面的声音相比，通常更期望来自面对声学信号输入单元210的声源的声音或来自设备100的前方的声音。如图1示出的示例中所示，在使用宽边麦克风(broadside microphone)并且声音因此沿垂直于麦克风阵列的轴的方向被输入的情况下，来自相对于麦克风阵列与目标声源对称的位置的噪声会流入麦克风。设备100可使用麦克风的对称和不对称布置来接收从前方输入的目标声音，并减少来自后方的噪声，从而获得来自期望声源的更纯净的声音信号。设备100可以以各种电子装置(例如，仅作为非穷举的例证，诸如个人计算机、膝上型计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式/个人多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、游戏控制器、TV输入装置、便携式游戏机、数字相机、全球定位系统(GPQ导航等)实现。图2示出用于消除后方噪声的设备的示例。设备100可包括声学信号输入单元 210、频率变换单元220、相位补偿单元230、第一方向滤波器M0、第二方向滤波器250以及波束处理单元沈0。频率变换单元220、相位补偿单元230、第一方向滤波器M0、第二方向滤波器250以及波束处理单元沈0与消除后方噪声的声学信号处理单元270对应。然而， 这些部件的示出的包含和配置仅是声学信号处理单元270的示例，可根据各种期望的状况来改变、省略和/或代替各种部件。声学信号输入单元210可包括具有三个或更多个麦克风的麦克风阵列。在设备 100中，第一麦克风112可设置为基准麦克风，并可提供与第一麦克风112对称或不对称的两个或更多个附加麦克风。更详细地，与第一麦克风112不对称的麦克风输出具有与从第一麦克风112输出的声音信号的相位不对称的相位的声音信号，与第一麦克风112对称的麦克风输出具有与从第一麦克风112输出的声音信号的相位对称的相位的声音信号。对称地布置的麦克风将相对于设置有麦克风的线对称表面上的线而与基准麦克风对称，所述线将所述表面划分为对称的两半。此外，如稍后所述，可能不必要具有完全对称的表面以具有对称设置的麦克风。在图2示出的示例中，第二麦克风114可设置在与第一麦克风112不对称的位置， 第三麦克风116可位于与第一麦克风112对称的位置。在这种情况下，为了方便解释，尽管声学信号输入单元210被描述为包括三个麦克风，但声学信号输入单元210可包括可位于彼此对称或彼此不对称的位置的四个或更多个麦克风。在麦克风位于彼此对称的位置的情况下，关于沿垂直于设备100的方向从设备100的后方输入的声波的声学信号之间的相位差会小于特定阈值。如果麦克风位于彼此完全对称的位置，则沿垂直于设备100的方向从麦克风所位于的表面的后方输入的声波当中输入到麦克风的声学信号之间的相位差会是0。然而，在实际中，考虑到制造误差，即使在相位差接近于0的情况下，麦克风也可被认为是位于彼此对称的位置。在麦克风被认为是位于彼此不对称的位置的情况下，指示麦克风没有位于彼此对称的位置。也就是说，如果麦克风位于彼此不对称的位置，则关于沿垂直于背面的方向输入的声波，输入到麦克风的声学信号之间的相位差会大于所述特定阈值。此外，在麦克风位于相同表面的情况下，如果所述表面在几何示图上是线对称的， 则麦克风的对称和不对称的布置可如下述被定义。线对称图形可以是这样的图形，当所述图形关于对称线(或轴)被折叠时，所述图形的一半具有与另外的一半相同的尺寸。线对称图形的对应边(homologous side) 具有相同的长度，对应角(homologous angle)也具有相同的值，并且所述图形的对应点 (homologous point)之间的线被对称线(或轴)二等分并垂直地与对称轴相交。线对称图形可以是例如矩形、五边形、六边形等。对称布置是麦克风位于相对于线对称表面上的对称线与单个基准麦克风的位置对称的位置的布置。不对称布置是麦克风位于相对于线对称表面上的对称线与单个基准麦克风的位置不对称的位置的布置。即使在麦克风阵列所位于的表面不完全线对称的情况下，一旦自麦克风阵列的两个边缘麦克风延伸到所述表面的假想线在长度方面彼此相同，该麦克风阵列也可被认为是如上所述的对称或不对称，因此本发明适用于这样的麦克风阵列。以下，为了方便解释，麦克风112、114和116所位于的表面被称为“表面A”。第一麦克风112可以是基准麦克风Μκ。第二麦克风114可以是按不对称布置而与第一麦克风112配对的麦克风Mm。通过第一麦克风112接收的声学信号可被称为第一声学信号，通过第二麦克风114接收的声学信号可被称为第二声学信号。关于沿垂直于表面A 的后方的方向输入的声波，第一声学信号与第二声学信号之间的相位差可能等于或大于预先定义的特定阈值。可设置一个或多个不对称的麦克风。所述特定阈值可被预先定义为接近于0的任何值。第三麦克风116可以是按对称布置而与第一麦克风112配对的麦克风MS1。在通过第三麦克风116接收的声学信号被称为第三声学信号的情况下，关于沿垂直于表面A的后方的方向输入的声波的第一声学信号和第三声学信号之间的相位差可能等于或小于特定阈值。可设置除基准麦克风以外的一个或多个对称麦克风。声学信号处理单元270可被配置为使用从三个麦克风112、114和116接收的声学
信号消除后方噪声。频率变换单元220可将通过声学信号输入单元210输入的声学信号变换为频域的声学信号。例如，频率变换单元220可使用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT) 将时域的声学信号变换到频域的声学信号。频率变换单元220可将临时输入的声学信号划分为帧，并基于逐帧的方式将该声学信号变换为频域的声学信号。可根据采样频率、应用的类型等确定帧的单元。频率变换单元220可包括第一频率变换单元222，将第一声学信号变换为频域的声学信号；第二频率变换单元224，将第二声学信号变换为频域的声学信号；第三频率变换单元226，将第三声学信号变换为频域的声学信号。以下，从临时输入的声学信号到频域的声学信号的变换将被称为“声谱(spectrogram) ”。关于沿垂直于表面A的后方的方向输入的声波，相位补偿单元230可补偿变换为频域的声学信号的第一声学信号与变换为频域的声学信号的第二声学信号之间的相位差。 对相位差的补偿可包括对允许相位差等于或小于阈值的相位的补偿。也就是说，关于从背面或从设置有麦克风的表面的后面输入的声波，相位补偿单元230可补偿第二声学信号的相位，从而第一指向性方向能够接近于第二指向性方向，其中，沿所述第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿所述第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值。第二阈值可以是用于满足麦克风的对称布置的特定阈值。第一阈值可大于第二阈值。相位补偿单元230可使用预先存储的相位差值来补偿第二声学信号的相位，以使第一指向性方向接近于第二指向性方向。预先存储的相位差值可以是关于沿垂直于设备 100的背面的方向输入的声波的第一声学信号与第二声学信号之间的相位差。第一方向滤波器240和第二方向滤波器250可被配置为对沿特定方向输入的声学信号进行滤波。所述特定方向可以是任意的方向，一旦方向被定义，麦克风之间的相位差可根据所述方向而被设置。然而，在这里描述的示例中，所述特定方向可以是在麦克风接收的声学信号之间不存在相位差的方向，或者是相位差等于或小于接近于0的预定阈值的方向。第一方向滤波器240可沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第一波束。第一方向滤波器240可使用第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第一权重滤波器(未示出)，并可通过将第一权重滤波器应用到第一声学信号来获得第一输出信号。第一方向滤波器240可将值1分配给第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并可将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第一权重滤波器。第二方向滤波器250可沿第一声学信号与第三声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束。第二方向滤波器250可使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器 (未示出)，并可通过将第二权重滤波器应用到第一声学信号来获得第二输出信号。第二方向滤波器250可将值1分配给第一声学信号与第三声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并可将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第二权重滤波器。波束处理单元260可使用第一波束和第二波束来消除输入到设备100的后方声学信号。波束处理单元260可使用来自不对称麦克风的波束和来自对称麦克风的具有补偿的相位的波束来消除从设备100的背面接收的波束。波束处理单元260可使用第一输出信号的相位小于预定义的阈值并且第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的声谱的频率分量来形成波束处理滤波器(图9示出的示例中的930)，并通过将波束处理滤波器应用到第一声学信号来获得消除了后方噪声的输出信号。此外，波束处理单元260可将值1分配
12给第一输出信号的相位小于所述预定义的阈值并且第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的声谱的频率分量，并将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生波束处理滤波器。尽管在图2示出的示例中设备100被描述为包括三个麦克风，但是设备100可包括四个或更多个麦克风，从而具有其他扩展部件。例如，如果添加了附加的不对称麦克风， 则设备100还可包括将添加的麦克风接收的声学信号变换为频域的声学信号的附加频率变换单元、附加相位补偿单元和附加第一方向滤波器。此外，还可包括使用由各种不对称麦克风形成的多个第一波束来形成单个波束的部件。这样的附加组件可被提供作为离散组件，或者与其他组件或已描述的组件相结合。图3A示出包括三个麦克风的声学信号输入单元的配置的示例，图:3B示出包括多于三个麦克风的声学信号输入单元的配置的示例。参照图3A示出的示例，中间的麦克风Mui可与左侧的基准麦克风Mk配对作为不对称麦克风对。设置在中间的麦克风Mui的右侧的麦克风Msi可与基准麦克风Mk配对作为对称麦克风对。在对称麦克风对中，在输入到配对的麦克风的声学信号中，沿垂直于声学信号输入单元210的后表面的方向输入的声学信号(所述声学信号被输入到各个麦克风)的相位彼此相同。在不对称麦克风对中，在输入到配对的麦克风的声学信号中，沿垂直于声学信号输入单元210的后表面的方向输入的声学信号(所述声学信号被输入到各个麦克风)的相位彼此不同。麦克风附着的表面A可以是例如矩形或任何其他形状。图;3B示出多于三个麦克风的对称布置和不对称布置的示例。如图IBB示出的示例中所指示，可包括多个不对称麦克风。可根据麦克风附着的表面A的形状而包括一个或多个对称的麦克风MS1。此外，麦克风可附着在任何位置(例如，设备100的下表面或侧面)，只要所述位置满足对称和不对称的条件即可。此外，如先前所述， 对称麦克风的对称可以是近似的，并且所述表面不必要相对于将所述表面划分为两部分的线完全线对称，只要各个对称麦克风与近似对称线之间的距离近似相等即可。图4A示出具有位于彼此不对称的位置的麦克风的声学信号输入单元的示例，图 4B示出存在沿允许两个麦克风的声源的相位彼此相同的特定方向移动的入射声波的示例。 参照图4A示出的示例，从声学信号处理单元的背面到基准麦克风Mk、对称麦克风Msi和不对称麦克风Mui的声波的输入由示出的箭头表示。在图4B示出的示例中，在从声学信号输入单元的背面输入的声波不垂直于声学信号输入单元210的前表面，而是沿另一特定方向入射的情况下，声波的传播路径造成关于基准麦克风Mk和不对称麦克风Mui允许相同相位的方向。尽管声波通常沿各种方向入射到麦克风，但是，为了方便解释，在图4A示出的示例中仅考虑声波的两个传播路径。在这种情况下，考虑首先到达麦克风M1^PMm的声波来测量相位，可注意到，存在允许输入到麦克风M1^PMui的声学信号的相位彼此相同的呈现方向。参照图4B示出的示例，考虑多个声波中以相对于垂直于声学信号输入单元210的前表面的方向的角度Θ'发送的两个声波建立等式1，所述两个声波关于基准麦克风Mk和不对称麦克风Mui具有相同相位，其中，从一个声波的声源到基准麦克风Mk的传播距离与从另一个声波的声源到不对称麦克风Mui的传播距离相等。(d+r!+r2) · sin θ ‘ +t+巧=t · cos θ ‘ +r2____(1)
13
等式1可依据t · cos θ ‘ 被重新排列如下t · cos θ ‘=
(d+r!+r2) sin θ ' +t+rfi^。由于(t .cos θ ' )2+(t sin θ ‘ )2 = t2，如果将 t .cos θ ‘ =(d+ri+r2) .sin θ ' +t+rrr2 代入到(t .cos θ ' )2+(t .sin θ ‘ )2 = t2，可获得 θ ‘。在该示例中，d表示基准麦克风Mr与不对称麦克风Mm之间的距离，巧表示从设备 100的左侧到基准麦克风Mk距离，r2表示从设备100的右侧到不对称麦克风Mui距离。t表示设备100的侧面的厚度。Θ'表示相对于垂直于声学信号输入单元210的前表面的方向的角度，以该角度，输入到基准麦克风Mk的声学信号的相位变得与输入到不对称麦克风Mui 的声学信号的相位相同。图4C是示出分别通过图4B示出的示例中的声学信号输入单元210的基准麦克风 Mk、不对称麦克风Mm和对称麦克风Msi接收的声学信号的相位的示例。如图4C示出的示例中所指示，关于以角度θ ‘输入的声波，在通过基准麦克风Mk 接收的声学信号&与通过不对称麦克风Mui接收的声学信号^之间可能不存在相位差。此外，如图4C所示，关于以角度Θ'输入的声波，在通过基准麦克风Mk接收的声学信号&与通过对称麦克风Msi接收的声学信号Ssi之间可能存在相位差。图5示出波束形式的区域的示例，在所述区域中，由位于彼此对称的位置的两个麦克风接收的声学信号的相位差小。在图5示出的示例中，波束500表示在由位于对称位置的基准麦克风Mk和对称麦克风Msi接收的声学信号之间不存在相位差或者所述相位差等于或小于特定阈值的区域。 图2示出的示例中的第二方向滤波器250可对图5的波束500的形式的区域中的声学信号进行滤波。波束500可与由第二方向滤波器250产生的第二波束对应。如图5示出的示例中所指示，关于处于彼此对称位置的麦克风，声学信号的相位差小的区域可沿垂直于表面A 的方向被形成，在所述表面A的前面和背面布置有麦克风。图6Α示出波束形式的区域的示例，在所述区域中，由位于彼此不对称的位置的两个麦克风接收的声学信号的相位差小，图6Β示出波束形式的区域的示例，在所述区域中， 图6Α的声学信号的相位已被补偿。参照图6Α示出的示例，这样的方向被确定为关于从背面垂直输入的声波以特定角度Θ'倾斜，并被确定为关于从前方输入的声波而垂直于前方，即，沿所述方向，由位于彼此不对称位置的麦克风M1^PMui接收的声学信号具有相同相位。同时，具有比麦克风附着的结构的大小长的波长的频率被衍射，从而使得频率具有相同大小。来自背面的声波的波长可以小于麦克风附着的结构的大小。图6Β示出波束形式的区域的示例，在所述区域中，两个麦克风的声源的相位差在声学信号的相位被补偿之后小。在图6Β示出的示例中，波束610表示这样的区域，在所述区域中，作为不对称麦克风Mui的声学信号的相位补偿的结果，在基准麦克风Mk的声学信号和不对称麦克风Mui的声学信号之间可能不存在相位差，或者所述相位差等于或小于特定阈值。作为不对称麦克风 Mm的声学信号的相位补偿的结果，波束610的前角度(front angle)被相应地补偿，从而所述波束如图6B示出的示例中所示倾斜。在图6B示出的示例中的波束610的形式的区域中的声学信号可由图2示出的第一方向滤波器240滤波。波束610可与由第一方向滤波器 240产生的第一波束对应。
为了补偿相位，如以下的等式2所示，可从由基准麦克风Mk接收的声学信号和由不对称麦克风Mui接收的声学信号之间的相位差减去沿后方垂直方向由基准麦克风Mk接收的声学信号和由不对称麦克风Mui接收的声学信号之间的相位差。如等式2中的第四行所示，不对称麦克风Mui的声学信号的相位(Z Suih^J被添加到关于沿后方垂直方向输入的声学信号的基准麦克风Mk的声学信号的相位和不对称麦克风Mui的声学信号的相位之间的相位差(Z =Q- Z ^l0 =0)。Δ Φ θ =0 =Z SEh = 0" ^ Suih =0ΔΦθ = α =Ζ8Ε|θ = α-Ζ8 1|θ = α-ΔΦθ=0= Z Sr ι 0 = α _ Z Sm 10 = α _ ( Z Sr ι 0 = 0_ Z Sui ι 0 = 0)=Z SEh = α"[ Z Smh =α + ( Z SEh =0" ^ Suih =0)1 · · · · (2)也就是说，如参照图2所述，相位补偿单元230可使用关于沿垂直于设备的背面的方向输入的声波的第一声学信号和第二声学信号之间的相位差来补偿第二声学信号的相位，从而第一指向性方向可近似于第二指向性方向。第一声学信号与第二声学信号之间的相位差可被预先存储在后方噪声消除设备100中。图7示出图2示出的第一方向滤波器的操作的示例。第一方向滤波器240可沿这样的方向形成第一波束，沿所述方向，第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于预定阈值。为此，第一方向滤波器240可使用第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，来形成第一权重滤波器。参考标号710表示被第一频率转换单元222根据时间流逐时间帧地转换为频域的声学信号的第一声学信号的相位信息。也就是说，710表示第一声学信号&的时间-频率域中的相位Φκ。参考标号720表示具有补偿的相位的第二声学信号^的时间-频率域中的相位 Φυιο第一方向滤波器240可将值1分配给第一声学信号的时间-频率域中的相位(1\与具有补偿相位的第二声学信号、的时间-频率域中的相位Φ 之间的相位差等于或小于预定阈值的声谱的频率分量，并将值0分配给所述声谱的剩余频率分量，以产生第一权重滤波器730。第一权重滤波器730可应用于第一声学信号、以获得第一输出信号。尽管在本示例中描述了第一权重滤波器730被应用于第一声学信号&以产生第一输出信号，但将第一权重滤波器730应用到第二声学信号^也可产生相同结果。除非具有补偿相位的第二声学信号、的相位Φ 会被第三声学信号Ssi的相位 Osi代替，第二方向滤波器250可以以与图7示出的第一方向滤波器相同的方式执行操作。 更具体地，第二方向滤波器250可使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器。第二方向滤波器250可将值1分配给第一声学信号与第三声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并可将值0分配给所述声谱的剩余频率分量，以产生第二权重滤波器。第二方向滤波器250可将第二权重滤波器应用于第一声学信号以产生第二输出信号。图8示出如何消除后方噪声的示例的示图。在图8示出的示例中，消除后方噪声的过程以波束的形式表示，在所述波束中，使用输入到位于彼此对称的位置的麦克风的声学信号的相位差和输入到位于彼此不对称的
15位置的麦克风的声学信号(它们的相位已被补偿)的相位差来消除后方噪声。在图8示出的示例中，可假设从对称麦克风接收的波束的形式的声学信号减去了不对称麦克风接收的波束的形式的声学信号，以消除从背面输入的声音。然而，后方噪声消除并不意味着波束形式的声学信号的实际相减，可通过如图9A和图9B示出的示例中所指示的信号处理执行所述后方噪声消除。图9A是示出后方噪声消除设备100的波束处理单元260的操作的示例的示图，图 9B是示出产生通过波束处理滤波器的处理消除了后方噪声的输出信号的操作的示例的示图。参照图2和图9A示出的示例，波束处理单元260可使用由位于彼此对称的位置的麦克风形成的波束500和通过对输入到不对称的麦克风的声学信号的相位进行补偿而获得的不对称麦克风的波束610，以消除沿后方向的波束。假设第一输出信号的相位表示为
910，第二输出信号的相位表示为Φ: 920。在图9A示出的示例中，可注意到后声谱的相位分量通常位于Φ,!T 910和Φ)"厂920中的每一个中，并且执行信号处理，从而第一波束的指向性方向可与第二波束的指向性方向相同。波束处理单元260可使用允许第一输出信号的相位Φ,7 910小于预定义的阈值并允许第二输出信号的相位Φ,Τ" 920大于所述预定义的阈值的频率分量，来形成波束处理滤波器。波束处理单元260可为允许第一输出信号的相位Φ,: 910小于所述预定义的阈值并允许第二输出信号的相位Φ:" 920大于所述预定义的阈值的频率分量的权重ω t, f分配值1，并可为剩余频率分量的权重ω t,f分配值0，以产生波束处理滤波器930。这可如以下的等式3表示。
ι,φ；'； 并且 Φ Τ'〉^^、
ω"·= < ‘‘'....(3)
u 10,其它这里，δ表示所述预定义的阈值，并可被实验性地确定。如图9Β示出的示例中所示，波束处理单元260可将波束处理滤波器930应用到第一声学信号&以获得消除了后方噪声的输出信号。然而，在本示例中，可将波束处理滤波器 930应用于第一声学信号&，并可将波束处理滤波器930应用于第二声学信号、或第三声学信号，从而获得消除了后方噪声的输出信号。本实施例可实现为计算机可读记录介质中的计算机可读代码。组成计算机程序的代码和代码段可容易地被本领域的计算机程序员推断。计算机可读记录介质包括存储计算机可读数据的所有类型的记录介质。计算机可读记录介质的示例包括R0M、RAM、⑶-ROM、磁带、软盘和光学数据存储器。此外，记录介质可以以载波的形式(例如，互联网传输)被实现。此外，计算机可读记录介质可分布于网络上计算机系统，在所述计算机系统中，计算机可读代码可以以分布式存储和执行。以上已描述了多个示例。然而，将理解的是，可进行各种修改。例如，如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果描述的系统、体系结构、装置或电路中的组件以不同的方式组合和/或被其他组件或其等同物代替或补充，则会实现合适的结果。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种消除从后方向输入的噪声的设备，所述设备包括声学信号输入单元，被配置为包括三个或更多个麦克风，所述三个或更多个麦克风包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在与第一麦克风不对称的位置的第二麦克风以及布置在与第一麦克风对称的位置的第三麦克风；声学信号处理单元，被配置为使用从第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风接收的声学信号消除后方噪声。
2.如权利要求1所述的设备，其中，声学信号处理单元还被配置为包括频率变换单元，被配置分别为将由第一麦克风接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；相位补偿单元，被配置为对关于从后方向输入的声波的第二声学信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；第一方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；第二方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；波束处理单元，被配置为使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。
3.如权利要求1所述的设备，其中，麦克风的对称布置导致关于从背面沿与所述设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置导致关于从背面沿与所述设备垂直的方向输入的声波的声学信号的之间相位差等于或大于所述特定阈值。
4.如权利要求2所述的设备，其中，相位补偿单元还被配置为为了使第一指向性方向近似于第二指向性方向，使用预先存储的相位差对第二声学信号的相位进行补偿。
5.如权利要求4所述的设备，其中，预先存储的相位差是关于从背面沿垂直于所述设备的方向输入的声波的第一声学信号与第二声学信号之间的相位差。
6.如权利要求2所述的设备，其中，第一方向滤波器还被配置为使用具有补偿的相位的第二声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量形成第一权重滤波器，并将第一权重滤波器应用到第一声学信号以获得第一输出信号。
7.如权利要求6所述的设备，其中，第一方向滤波器还被配置为将值1分配给第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并将值0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第一权重滤波器。
8.如权利要求6所述的设备，其中，第二方向滤波器还被配置为使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器，并将第二权重滤波器应用到第一声学信号，以获得第二输出信号。
9.如权利要求8所述的设备，其中，第二方向滤波器还被配置为将值1分配给第一声学信号与第三声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量，并将值 0分配给声谱的剩余频率分量，以产生第二权重滤波器。
10.如权利要求8所述的设备，其中，波束处理单元还被配置为使用频率分量形成波束处理滤波器，并将波束处理滤波器应用到第一声学信号以获得消除了后方噪声的输出信号，其中，所述频率分量允许第一输出信号的相位小于预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值。
11.如权利要求10所述的设备，其中，波束处理单元还被配置为将值1分配给允许第一输出信号的相位小于所述预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的频率分量，并将值0分配给剩余频率分量，以产生波束处理滤波器。
12.—种在用于消除噪声的设备中使用的消除噪声的方法，所述方法包括使用声学信号输入单元接收声学信号，该声学信号输入单元被配置为包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在与第一麦克风对称的位置的第二麦克风和布置在与第一麦克风不对称的位置的第三麦克风；分别将由第一麦克分接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；对关于从后方向输入的声波的第二声学信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中，麦克风的对称布置导致关于从背面沿与设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置导致关于从背面沿与设备垂直的方向输入的声波的声学信号之间的相位差等于或大于所述特定阈值。
14.如权利要求12所述的方法，其中，对相位进行补偿的步骤包括为了使第一指向性方向近似于第二指向性方向，使用预先存储的相位差对第二声学信号的相位进行补偿。
15.如权利要求14所述的方法，其中，预先存储的相位差是关于从背面沿垂直于所述设备的方向输入的声波的第一声学信号与第二声学信号之间的相位差。
16.如权利要求12所述的方法，其中，形成第一波束的步骤包括使用具有补偿的相位的第二声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量形成第一权重滤波器，并将第一权重滤波器应用到第一声学信号以获得第一输出信号。
17.如权利要求16所述的方法，其中，形成第二波束的步骤包括使用第三声学信号与第一声学信号之间的相位差等于或小于所述预定阈值的声谱的频率分量来形成第二权重滤波器，并将第二权重滤波器应用到第一声学信号，以获得第二输出信号。
18.如权利要求17所述的方法，其中，消除从后方向输入的声学信号的步骤包括使用频率分量形成波束处理滤波器并将波束处理滤波器应用到第一声学信号以获得消除了后方噪声的输出信号，其中，所述频率分量允许第一输出信号的相位小于预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值。
19.如权利要求18所述的方法，其中，消除从后方向输入的声学信号的步骤包括将值 1分配给允许第一输出信号的相位小于所述预定义的阈值并允许第二输出信号的相位大于所述预定义的阈值的频率分量，并将值0分配给剩余频率分量，以产生波束处理滤波器。
20.一种消除后方噪声的设备，所述设备包括声学信号输入单元，被配置为包括布置在线对称的表面上的三个或更多个麦克风，所述三个或更多个麦克风包括一个基准麦克风、布置在关于线对称表面的对称线与基准麦克风对称的位置的至少一个麦克风以及布置在关于所述对称线与基准麦克风不对称的位置的至少一个麦克风；声学信号处理单元，被配置为使用从所述三个或更多个麦克风输入的声学信号消除后方噪声。
21.如权利要求20所述的设备，其中，声学信号输入单元被进一步配置为包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在关于所述对称线与第一麦克风不对称的位置的第二麦克风以及布置在关于所述对称线与第一麦克风对称的位置的第三麦克风。
22.如权利要求21所述的设备，其中，声学信号处理单元还被配置为包括频率变换单元，被配置为分别将由第一麦克风接收的第一声学信号、由第二麦克风接收的第二声学信号和由第三麦克风接收的第三声学信号变换为频域的声学信号；相位补偿单元，被配置为对关于从后方向输入的声波的第二声学信号的相位进行补偿，使得第一指向性方向近似于第二指向性方向，其中，沿该第一指向性方向，第一声学信号与第二声学信号之间的第一相位差等于或小于第一阈值，沿该第二指向性方向，第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于第二阈值；第一方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与具有补偿的相位的第二声学信号之间的第一相位差等于或小于预定阈值的方向形成第一波束；第二方向滤波器，被配置为沿第一声学信号与第三声学信号之间的第二相位差等于或小于所述预定阈值的方向形成第二波束；波束处理单元，被配置为使用第一波束和第二波束消除从后方向输入的声学信号。
23.一种消除后方噪声的方法，所述方法包括从位于共享的表面上的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风接收信号，第二麦克风在所述表面上关于第一麦克风不对称，第三麦克风在所述表面上关于第一麦克风对称；根据由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿；消除信号中的由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差近似等于由第一麦克风接收的信号与由第三麦克风接收的信号之间的相位差的部分。
24.如权利要求23所述的方法，其中，关于从后方垂直方向输入的声波对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿，使得由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差等于或小于第一阈值。
25.如权利要求23所述的方法，其中，麦克风的对称布置导致关于从后方垂直方向输入的声波的信号之间的相位差等于或小于特定阈值，麦克风的不对称布置导致关于从后方垂直方向输入的声波的信号之间的相位差等于或大于所述特定阈值。
26.一种装置，包括用于消除噪声的设备，该设备包括设置于共享的表面上的用于接收信号的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风，第二麦克风在所述表面上关于第一麦克风不对称，第三麦克风在所述表面上关于第一麦克风对称；控制器，用于根据由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿，消除信号中的由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差近似等于由第一麦克风接收的信号与由第三麦克风接收的信号之间的相位差的部分。
27.如权利要求26所述的装置，其中，关于从后方垂直方向输入的声波对由第二麦克风接收的信号的相位进行补偿，使得由第一麦克风接收的信号与由第二麦克风接收的信号之间的相位差等于或小于第一阈值。
全文摘要
提供了一种消除后方噪声的设备和方法，所述设备包括声学信号输入单元，被配置为包括三个或更多个麦克风，所述三个或更多个麦克风包括作为基准麦克风的第一麦克风、布置在与第一麦克风不对称的位置的第二麦克风以及布置在与第一麦克风对称的位置的第三麦克风；声学信号处理单元，被配置为使用从第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风接收的声学信号消除后方噪声。
文档编号G10L21/0216GK102208189SQ20111007040
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者吴光哲, 郑宰燻, 郑韶永, 金圭洪 申请人:三星电子株式会社