麦克风阵列及其信号处理方法、装置、设备及介质与流程

本申请涉及电路，例如涉及一种麦克风阵列及其信号处理方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、现有的均匀线型麦克风阵列是将麦克风均匀排布在一条直线上，相邻麦克风的间距相等。为了提升上述阵列的拾音质量，通常应用波束形成技术，该技术通常要求麦克风间距与信号波长相当。语音信号频带较宽，对高频信号进行有效的波束形成要求麦克风阵元间距足够小，对低频信号进行有效的波束形成要求阵列孔径足够大。如果采用现有的麦克风均匀排布的阵列结构，为了同时满足高低频波束形成的要求，则所需的麦克风数量较多，不仅增加了硬件成本和结构复杂性，还增加了波束形成算法的计算量。

2、此外，现有的波束形成算法通常为时延-累加方法，用该方法对宽带语音信号进行波束形成时，存在三个问题：一是其波束图形状和频率有关，且波束主瓣宽度随频率增加而减小，二是噪声在整个频带的衰减是非均匀的，导致波束输出存在人工噪音，三是当声波入射方向偏离主瓣方向时波束形成处理引入了低通滤波效果，导致输出信号失真。

技术实现思路

1、本申请目的在于：提供一种非均匀线型麦克风阵列结构和对应的音频信号处理方法，从而在使用相同数量麦克风的条件下获得更优拾音效果，或在保证拾音效果的条件下减少阵列中麦克风的数量。

2、为达上述目的，本申请采用以下技术方案：

3、本申请提供了一种非均匀线型麦克风阵列，其中，包括中心麦克风对，以及在所述中心麦克风对两侧对称排布的若干个扩展麦克风；所述中心麦克风对和所述扩展麦克风排布在同一直线上，且相邻麦克风的间距不等，其中，所述扩展麦克风与所述中心麦克风对之间的间距越大，则所述扩展麦克风与靠近阵列中心一侧的相邻麦克风之间的间距也越大。

4、本申请提供了一种麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，所述方法包括：

5、根据所述麦克风阵列的结构参数和信号采集通道计算对应的阵列导向矢量组，其中，所述阵列导向矢量组包括对应不同频点的若干个阵列导向矢量矩阵；

6、根据各个频点所属的频段，选取对应的约束条件和代价函数，对加权系数进行优化求解，其中，所述代价函数是由所述阵列导向矢量矩阵和所述加权系数计算得到的，完成频率独立的加权系数优化后再对其进行频域平滑；

7、从所述麦克风阵列采集的多通道信号中提取所述信号采集通道对应的时域音频信号，对所述信号采集通道对应的时域音频信号进行离散傅里叶变换得到对应的多通道时频域信号；

8、通过所述加权系数分别对相应频点的所述多通道时频域信号进行加权求和，得到时频域波束输出信号，完成空域滤波；

9、对所述时频域波束输出信号进行离散傅里叶反变换，计算得到目标音频信号。

10、本申请还提出了一种麦克风阵列的音频信号处理装置，其中，所述软件包括：

11、阵列导向矢量组计算单元，用于根据所述麦克风阵列的结构参数和信号采集通道计算对应的阵列导向矢量组，其中，所述阵列导向矢量组包括对应不同频点的若干个阵列导向矢量矩阵；

12、加权系数求解单元，用于根据各个频点所属的频段，选取对应的约束条件和代价函数，对加权系数进行优化求解，其中，所述代价函数是由所述阵列导向矢量矩阵和所述加权系数计算得到的，完成频率独立的加权系数优化后再对其进行频域平滑；

13、信号提取单元，用于从所述麦克风阵列采集的多通道信号中提取所述信号采集通道对应的时域音频信号，对所述信号采集通道对应的时域音频信号进行离散傅里叶变换得到对应的多通道时频域信号；

14、空域滤波单元，用于通过所述加权系数分别对相应频点的所述多通道时频域信号进行加权求和，得到时频域波束输出信号，完成空域滤波；

15、信号生成模块，用于对所述时频域波束输出信号进行离散傅里叶反变换，计算得到目标音频信号。

16、本申请还提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法。

17、本申请还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

18、本申请的一种非均匀线型麦克风阵列通过将扩展麦克风以中心麦克风组为中心，向周侧进行非均匀排布，并且距离中心越远，相邻的扩展麦克风间距越大，从而同时兼顾了高低频波束形成对最小阵元间距和最大阵列孔径的要求，在阵元数量相同时，能够覆盖的波长范围更广，在阵列面积相同时，所需的麦克风阵元数量更少；并通过本申请的一种麦克风阵列的音频信号处理方法，对上述非均匀线型麦克风阵列获取的原始音频信号按照不同的角度范围和频段范围采用不同的损失函数进行输出功率衰减，提高了获取到的目标音频信号的质量。

技术特征：

1.一种非均匀线型麦克风阵列，其中，包括中心麦克风对，以及在所述中心麦克风对两侧对称排布的若干个扩展麦克风；所述中心麦克风对和所述扩展麦克风排布在同一直线上，且相邻麦克风的间距不等，其中，所述扩展麦克风与所述中心麦克风对之间的间距越大，则所述扩展麦克风与靠近阵列中心一侧的相邻麦克风之间的间距也越大。

2.一种麦克风阵列的音频信号处理方法，应用于如权利要求1中所述的一种麦克风阵列，其中，所述方法包括：

3.根据权利要求2所述的麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，信号采集通道的指定方式为以下方式中的一种：

4.根据权利要求2所述的麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，所述频段包括低频段、中频段和高频段；

5.根据权利要求2所述的麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，所述对加权系数进行优化求解之后，还包括：

6.根据权利要求4所述的麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，所述阵列导向矢量矩阵是根据全部来波方向的假想信号计算的，所述方法还包括：

7.根据权利要求5所述的麦克风阵列的音频信号处理方法，其中，所述高频段期望主瓣响应的获取方法是：

8.一种麦克风阵列的音频信号处理装置，其中，所述装置包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至7中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求2至7中任一项所述的方法。

技术总结
本申请的一种非均匀线型麦克风阵列，包括中心麦克风对，以及在所述中心麦克风对两侧对称排布的若干个扩展麦克风；所述中心麦克风对和所述扩展麦克风排布在同一直线上，且相邻麦克风的间距不等，其中，所述扩展麦克风与所述中心麦克风对之间的间距越大，则所述扩展麦克风与靠近阵列中心一侧的相邻麦克风之间的间距也越大；通过上述结构，能够在使用相同数量麦克风的条件下获得更优拾音效果，或在保证拾音效果的条件下减少阵列中麦克风的数量；本申请的一种麦克风阵列的音频信号处理方法、装置及介质，能够对非均匀线型麦克风阵列采集的音频信号进行加权系数优化求解，并通过加权系数对音频信号进行空域滤波，提高了信号质量。

技术研发人员：李天宇
受保护的技术使用者：广州视源电子科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11