一种主从模式麦克风阵列系统的制作方法

1.本发明涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种主从模式麦克风阵列系统。


背景技术：

2.现有声源定位设备利用麦克风阵列波束成形技术获取空间中的声源分布数据，并且配合高清光学摄像头实时采集视频画面，将声源数据与视频数据融合，可以在屏幕上实时显示声源位置和强度。现有麦克风阵列一般为采用数十或数百个相同的超声麦克风按照一定形状排布而成的阵列。由于受到尺寸限制，现有小尺寸麦克风阵列只能测试高于2khz频率以上的声音信号，对于实际使用场景中低于2khz的低频率信号无法测试到，尤其是频率集中在340hz~1500hz之内的声音信号，如汽车车窗开关时的异响、风力发电机由于安装不到位带来的异响等。
3.实用新型专利cn202020808950.8公开了一种麦克风阵列支架，并具体公开了支架包括主体结构及至少一个旋转支架；每一所述旋转支架转动连接于所述主体结构，且所述旋转支架的转轴垂直于所述主体结构表面，所述主体结构和所述旋转支架的表面开设有收音孔，用于容纳麦克风阵列。随着旋转支架的转动，带动旋转支架上设置的麦克风阵列相对于主体结构表面的麦克风阵列改变相对位置，从而得到不同阵列直径、不同阵元间距的麦克风阵列布局，满足不同采样精度及采样频段的声音采集需求。该专利从机械结构角度提出了一个能满足不同频段声音采集需求的方案，但仅仅从宽泛的角度来调整频段，如从高频转换为低频，无法具体到更准确的频段，对于是否能调整到低于2khz频率也无法确定。
4.发明专利申请cn202210525523.2公开了一种基于异构麦克风阵列的声学成像仪，并具体公开了声学成像仪包括光学摄像头和麦克风阵列，所述麦克风阵列包括至少两组不同频率响应的麦克风子阵列，每个所述麦克风子阵列包括至少三个谐振式麦克风，所述光学摄像头位于所述麦克风阵列的几何中心。该发明的不同子阵列的频率响应不同，通过多个子阵列的组合可以使阵列整体获得很宽的响应带宽，弥补了单个谐振式麦克风带宽窄的缺点，实现宽频带的声波探测。虽然该发明能实现宽频检测，但异构麦克风阵列通常为小尺寸麦克风阵列，主要测试高于2khz频率以上的声音信号，在进行宽频拓展改进后，也无法探测低于2khz以下的声音信号。这个问题在该发明说明书第0028段可以看到，该发明的异构阵列总带宽可达90khz，覆盖频率范围5khz-95khz。由此可见，该发明实现的宽频拓展是往更高频段拓展，并未解决低于2khz频率的声音信号的探测问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在麦克风阵列在不同用户需求（即更宽频段检测需求）的兼容性，从而大大减小麦克风阵列硬件以及软件的定制费用，继而提出一种主从模式麦克风阵列系统。
6.本发明提供一种主从模式麦克风阵列系统，包括主麦克风阵列、主信号驱动单元、从麦克风阵列、从信号驱动单元、信号采集单元；所述主麦克风阵列经所述主信号驱动单元连接所述信号采集单元，所述从麦克风阵列经所述从信号驱动单元连接所述信号采集单
(1 + α * (temp
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c))实现，其中，r是走线电阻值，ρ是电阻率参数，l是走线长度，t是走线厚度，w是走线宽度，α是电阻率温度系数，temp是pcb板所在环境温度；在配置信号线时，假定ρ、α、temp、t相同，在已知阻抗值下，根据信号线所需配置长度确定信号线宽度。
17.作为优选，所述主信号驱动单元具有多个主信号驱动子单元，每个主信号驱动子单元对应8个麦克风配置，所述主信号驱动子单元的数量基于所述主麦克风阵列的总麦克风数量确定；所述主信号转换单元具有多个主信号转换子单元，所述主信号转换子单元的数量等于所述主信号驱动子单元的数量；所述从信号驱动单元具有多个从信号驱动子单元，每个从信号驱动子单元对应8个麦克风配置，所述从信号驱动子单元的数量基于所述从麦克风阵列的总麦克风数量确定；所述从信号转换单元具有多个从信号转换子单元，所述从信号转换子单元的数量等于所述从信号驱动子单元的数量。
18.作为优选，多个主信号转换子单元与信号采集单元之间共用一路时钟线连接，多个从信号转换子单元与信号采集单元之间共用一路时钟线连接。
19.本发明具有以下有益效果：本发明一种主从模式麦克风阵列系统，不仅能在主模式下满足频率在2khz~96khz的声音信号探测，还能在主从模式共用下，满足频率在340hz~96khz的声音信号检测；在采集多个位置的音频信号下，通过对时钟信号线和数据信号线进行阻抗匹配设计，解决了信号传输因传输距离不一致导致的传输延迟问题，确保了信号传输稳定性；进一步，本发明采用信号转换单元将pdm信号转换为tdm信号，通过简化接口方式来减少信号线配置数量，进而降低阻抗匹配难度；此外，此系统以正态分布的环状主麦克阵列为中心，结合在中心旁侧设置随机分布的从麦克风阵列的结构，不仅能很好抑制旁瓣能量，提高声音信号分辨率，还能降低壳体结构加工难度，且解决了结构面与麦克风位置干涉问题。
附图说明
20.图1a为本发明一种主从模式麦克风阵列系统的一实施方式的原理示意图；图1b为本发明一种主从模式麦克风阵列系统的另一实施方式的原理示意图；图2为本发明一种主从模式麦克风阵列系统中主麦克风阵列与从麦克风阵列排布的结构示意图，图中的点即为麦克风，深色点构成主麦克风阵列，浅色点构成从麦克风阵列。
具体实施方式
21.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
22.如图1a，一种主从模式麦克风阵列系统，包括主麦克风阵列、主信号驱动单元、从麦克风阵列、从信号驱动单元、信号采集单元、时钟单元、微处理器单元。所述主麦克风阵列经所述主信号驱动单元连接所述信号采集单元，所述从麦克风阵列经所述从信号驱动单元连接所述信号采集单元。所主信号驱动单元、所述从信号驱动单元用于增强数字信号驱动能力，从而提高信号质量。所述信号采集单元用于将接收主机上麦克风数字信号，并将tdm信号整合，转换为pcie协议。所述信号采集单元以pcie接口与微处理单元进行连接，并将音频信号传输到微处理器中进行处理。所述时钟单元生成固定频率的时钟信号，时钟信号可
以通过指令进行修改，时钟信号可以在768khz~6.144mhz之间进行设置。所述微处理器单元用于运行音频算法，将音频信号与视频信号结合，音频、视频信号编码。为保证主模式主机没有安装从模式从机的条件下也可以正常工作，主模式主机带有128通道麦克风阵列，该麦克风阵列具备测试2khz~96khz音频信号的能力。由于主麦克风阵列可成像频率范围在2khz~96khz之间，却无法测试频率低于2khz的声音信号。通过安装从麦克风阵列的方式增大麦克风阵列的接收面积，从而降低整体麦克风阵列的可成像频率。在主模式下，所述信号采集单元获取的音频信号仅来自于所述主麦克风阵列，在从模式下，所述信号采集单元获取的音频信号来自于所述主麦克风阵列和所述从麦克风阵列。这样可满足用户不同频段音频探测需求，从而大大减小麦克风阵列硬件以及软件的定制费用。从而带来很高的经济效益。
23.本发明提出了两种不同分布结构的阵列相融设计，所述主麦克风阵列为密度呈二维高斯分布的环状麦克风阵列，如六边形、四边形或圆形。所述主麦克风阵列中的部分麦克风与围绕在所述主麦克风阵列外的多个麦克风子阵列按随机分布方式构成从麦克风阵列。由于采用不同结构且相融的主从麦克风阵列，可保证主机脱离从机运行的独立性，能较好地抑制成像旁瓣。具体分析如下：一方面，将组成主麦克风阵列的所有麦克风中选取部分麦克风作为从麦克风阵列中的组成部分，即主麦克风阵列与从麦克风阵列中存在共用麦克风，该选取部分麦克风是与从麦克风阵列中的麦克风子阵列中的麦克风一同按随机分布方式排布。这样设计的目的是避免信号采集单元获取的音频数据仅来自于主麦克风阵列外部的麦克风，从图2中可见，外部的麦克风子阵列呈中间空白的环状结构，麦克风阵列平面存在分布不足够均匀的问题，会导致从麦克风阵列所在位置的旁瓣变高，从而影响测试。为此，当我们将主麦克风阵列中的部分麦克风与主麦克风阵列外部的多个麦克风子阵列共同构成从麦克风阵列时，信号采集单元获取的音频数据包括由外部的麦克风子阵列环绕成的环状结构上的所有麦克风，以及该环状结构中心（即主麦克风阵列内）的部分麦克风。这样，麦克风阵列平面的分布不均匀问题得以解决。另一方面，主麦克风阵列使用麦克风密度呈正态分布的环状阵列，并且主麦克风阵列尺寸较小，通过研究发现，计算的声云图旁瓣能量相对主瓣能量得到很好的抑制。在测试2khz以上频率时不容易存在虚假声源，并且主麦阵麦克风密度高，对于2khz以上的声音信号有更好的分辨率。若从麦克风阵列延续主麦克风阵列的正态分布，则会导致该系统下的麦克风阵列尺寸整体增大，旁瓣能量随之变大。为此，从麦克风阵列不采用主麦克风阵列的结构，而是采用麦克风位置随机分布的阵列。另外，若将从麦克风阵列设计成规律排布的阵列时，例如同主麦克风阵列结构，设计的从麦克风阵列区域划分复杂，壳体结构加工难度大，成本高。并且按照该分布，同等性能条件下麦克风数量多，结构加工难度相对较大，成本高。
24.具体地（如图2），所述主麦克风阵列呈六边形环状分布，其内可由7组频率响应相同并呈环状分布的麦克风子阵列组成，主麦克风阵列中的每个麦克风子阵列由至少17个mems麦克风组成。主麦克风阵列频率响应相同，在测试2khz~50khz频率的声音信号由很高的灵敏度。主麦克风阵列尺寸相对较小，对于测试2khz~50khz频率的场景有着很高的可操作性和灵活性。所述从麦克风阵列中的麦克风子阵列至少有3组，且频率响应相同。从麦克风阵列中的每个麦克风子阵列由至少24颗mems麦克风组成。图中可见从麦克风阵列包括3个麦克风子阵列，均围绕在主麦克风阵列外部设置，且在外侧拼接成一环状结构。所述从麦克风阵列中的多个麦克风子阵列均为尺寸大小、接口、线序皆相同的子阵列。所述从麦克风
阵列中的多个麦克风子阵列的位置可随意替换，提升了设备维护的可操作性，减少了后期维护难度和维护成本。
25.本发明系统还包括主信号转换单元、从信号转换单元（参见图1b）。所述主信号转换单元用于将主信号驱动单元传输的pdm信号转换为tdm信号，之后将tdm信号发送给所述信号采集单元；所述从信号转换单元用于将从信号驱动单元传输的pdm信号转换为tdm信号，之后将tdm信号发送给所述信号采集单元。主从麦克风阵列采用的是数字硅麦pdm硅麦克风，通过信号转换单元将pdm信号转换为tdm信号，再将该tdm信号输出到信号采集单元中。该系统将pdm协议转换为tdm协议，采用pdm信号转tmd信号可减少信号线的数量，一根tmd信号线可以传输1~8个pdm信号，这样大大简化接口设计难度，提高系统稳定性。
26.当信号采集单元输出的个别通道音频数据有很高的失真，后续处理中无法提取音频信号特征。考虑到主麦克风阵列与从麦克风阵列中的麦克风位于不同位置，为确保同时采集多个位置的音频信号且保证信号的稳定性，即保证所有通道的音频信号的低失真和稳定性，需要对采集过程中涉及的信号线进行阻抗匹配设计。在一实施方式下（参见图1a），本发明系统不包含信号转换单元时，所述主麦克风阵列与所述主信号驱动单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述主信号驱动单元与所述信号采集单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述从麦克风阵列与所述从信号驱动单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述从信号驱动单元与所述信号采集单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置。在另一实施方式下（参见图1b），本发明系统包含信号转换单元时，所述主麦克风阵列与所述主信号驱动单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述主信号驱动单元与所述主信号转换单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述主信号转换单元与所述信号采集单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置；所述从麦克风阵列与所述从信号驱动单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述从信号驱动单元与所述从信号转换单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置，所述从信号转换单元与所述信号采集单元之间的所有信号线按照等值阻抗配置。所述等值阻抗配置均依据微带线阻抗公式r = (ρ * l / (t * w)) * (1 + α * (temp
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c))实现，其中，r是走线电阻值，ρ是电阻率参数，l是走线长度，t是走线厚度，w是走线宽度，α是电阻率温度系数，temp是pcb板所在环境温度；在实际使用场景中，ρ、α、temp几乎是一致的，此处pcb统一使用一种厚度，即t是相等的，只需控制l、w即可控制阻抗。导线的长度由麦克风到主从信号驱动单元、主从信号驱动单元到主从信号转换单元、主从信号转换单元到信号采集单元的距离决定。
27.通过实验发现，导线阻抗控制在50欧姆~75欧姆之间不会出现信号失真的问题，本发明优选60欧姆的值作为阻抗匹配值。这样，可在确定阻抗为60欧姆的基础下，通过距离确定信号线的走线长度和走线宽度。其中，由于信号驱动单元与信号转换单元空间位置接近，则可对这两个单元之间的信号线采用等长等宽设计。
28.后者实施方式相比于前者实施方式而言，由于采用了信号转换单元，可大大减少信号线的数量，当在此方式下进行阻抗匹配设计时，还能减小走线和阻抗匹配难度，降低阻抗匹配设计工作量。例如，当不采用信号转换单元时，当扩展的麦克风总数达到100颗，每两个麦克风1根数据信号线，1根时钟信号线。即使共用时钟信号线，至少需要对51根信号线进行阻抗匹配。而从麦克风阵列是拆装式的，拆装次数多后导线连接器的信号质量下降，再加上数量众多的导线，故障率极大提高。而采用信号转换单元后，每8个麦克风1根数据信号
线，1根时钟信号线。当共用时钟信号线时，则需要14根信号线进行阻抗匹配。信号线数量减少，阻抗匹配难度降低，故障率减少，系统稳定性高。
29.在阻抗匹配设计前，需要确定所需单元的数量以及所需信号线数量。在设计中8个麦克风使用1个信号驱动单元，一组时钟信号线和4组数据信号线，一个信号转换单元将4组数据信号线整合成一路数据信号线和两路时钟信号线。为此，所述主信号驱动单元具有多个主信号驱动子单元，每个主信号驱动子单元对应8个麦克风配置，所述主信号驱动子单元的数量基于所述主麦克风阵列的总麦克风数量确定；所述主信号转换单元具有多个主信号转换子单元，所述主信号转换子单元的数量等于所述主信号驱动子单元的数量；所述从信号驱动单元具有多个从信号驱动子单元，每个从信号驱动子单元对应8个麦克风配置，所述从信号驱动子单元的数量基于所述从麦克风阵列的总麦克风数量确定；所述从信号转换单元具有多个从信号转换子单元，所述从信号转换子单元的数量等于所述从信号驱动子单元的数量。以从麦克风阵列有24个麦克风为例，则需要3个从信号转换单元，从麦克风阵列的三个信号转换单元使用的同一组时钟信号，从麦克风阵列只需要3根数据信号线和2根时钟信号线（即5根信号线）。
30.在此设计下，利用本发明系统实现声成像仪。基于波束成形技术，波束形成算法输出结果中，最大波束所在方向称为主瓣，其余波束值较小的成为旁瓣，较大的旁瓣值会严重影响定位性能。经过检测，当主麦克风阵列与从麦克风阵列一同工作时，旁瓣能量较主瓣能量小10db。
31.本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。