一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器的制造方法
【專利說明】
[0001 ] 技術(shù)領(lǐng)域:
[0002]本實(shí)用新型涉及安防監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器。
[0003]【背景技術(shù)】:
[0004]傳統(tǒng)的安防拾音器一般包括一個(gè)全向或心形指向的駐極體麥克風(fēng)，駐極體麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過一級(jí)或者兩級(jí)模擬電路放大，低通或帶通濾波后模擬輸出。
[0005]市面上也有一些拾音器包括兩個(gè)駐極體麥克風(fēng)，一個(gè)駐極體麥克風(fēng)靈敏度比較高，負(fù)責(zé)自由遠(yuǎn)場的拾音，另外一個(gè)駐極體麥克風(fēng)靈敏度比較低，負(fù)責(zé)近場背景噪聲的拾音，然后通過模擬電路控制相位，同向疊加來抑制背景噪聲。
[0006]這些拾安防音器存在如下缺陷:
[0007](I)在實(shí)際應(yīng)用中，周圍環(huán)境存在較大的背景噪聲，通過模擬降噪的方法不能有效地降低整個(gè)頻段的噪聲，甚至將聲音的高頻部分損失，造成輸出的信號(hào)質(zhì)量不高。
[0008](2)由于選用的駐極體麥克風(fēng)保真度較低，加上濾波電路造成的相位延時(shí)，輸出的聲音信號(hào)與實(shí)際聲音存在差別。不能滿足安防語音監(jiān)控清晰度的要求。
[0009](3)拾音范圍較小，完全取決于駐極體麥克風(fēng)的靈敏度，一般只能做到1m范圍內(nèi)的拾音。駐極體麥克風(fēng)隨著使用時(shí)間的增加，靈敏度會(huì)衰減而降低拾音距離。由于拾音范圍的限制，拾音器一般吊在房間天花板中間位置，聲孔指向音源，靠近關(guān)鍵區(qū)域。而攝像頭覆蓋區(qū)域比較大，安裝在房間頂部一角，拾音器和攝像頭距離較遠(yuǎn)，布線較為復(fù)雜。
[0010](4)功能比較單一，只有音頻的拾音和放大作用，難以實(shí)現(xiàn)一些特定功能應(yīng)用，例如環(huán)境噪聲抑制、波束成形和波束指向性等。
[0011]【實(shí)用新型內(nèi)容】:
[0012]為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供了利用麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)技術(shù)，提供一種采集聲音清晰度高、降噪效果好、拾音距離遠(yuǎn)、具有指向性的拾音器的技術(shù)方案:
[0013]—種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，包括麥克風(fēng)陣列單元、音頻編碼單元、DSP處理單元和音頻輸出單元，麥克風(fēng)陣列單元與音頻編碼單元導(dǎo)通，音頻編碼單元與音頻輸出單元以并行方式與DSP處理單元連接。
[0014]作為優(yōu)選，麥克風(fēng)陣列單元包括4個(gè)MEMS咪頭，4個(gè)MEMS咪頭在電路板上直線排布形成麥克風(fēng)線性陣列，相鄰MEMS咪頭的中心距為20 ± 0.1mm。
[0015]作為優(yōu)選，MEMS咪頭的靈敏度為-40dB±0.5dB，頻率響應(yīng)為10Hz - ΙΟΚΗζ，長度為3.76mm，寬度為2.95mm，信噪比不小于60dB。
[0016]作為優(yōu)選，音頻解碼單元采用集成IC芯片NAU85L40，NAU85L40最大支持48KHz采樣，系統(tǒng)采用16KHz采樣率，24bit采樣精度。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0018](I)本實(shí)用新型利用麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的指向性拾音器，在差分波束形成是頻不變波束形成算法，重建后的語音信號(hào)在人耳敏感的區(qū)域頻率成分無變化，所以重建后的語音信號(hào)清晰度高，可滿足一些關(guān)鍵區(qū)域的高質(zhì)量語音監(jiān)控需要。
[0019](2)本實(shí)用新型中拾音器的4個(gè)麥克風(fēng)咪頭對(duì)同向音頻信號(hào)進(jìn)行疊加，指向性好，拾音距離遠(yuǎn)，有效拾音距離可達(dá)20米以上。
[0020](3)實(shí)用新型與單個(gè)模擬拾音器相比，由于麥克風(fēng)線性陣列接收的聲音信號(hào)已經(jīng)數(shù)字化，可以被進(jìn)一步處理，還可以進(jìn)行聲源分離、解混響以及聲源定位和聲源追蹤等特定功能應(yīng)用。
[0021](4)實(shí)用新型中拾音器除可以使用傳統(tǒng)的模擬音頻接口和攝像頭配合實(shí)現(xiàn)音視頻的同步記錄，還可以使用USB數(shù)字音頻接口，USB數(shù)字音頻接口避免攝像頭AD或Codec芯片二次采樣帶來的電路噪聲，提高攝像頭端音頻信號(hào)的信噪比。
[0022]【附圖說明】:
[0023]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為麥克風(fēng)陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為麥克風(fēng)咪頭理想波束圖；
[0026]圖4為本實(shí)用新型的咪頭波束圖。
[0027]【具體實(shí)施方式】:
[0028]為使本實(shí)用新型的發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0029]如圖1所示，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，包括麥克風(fēng)陣列單元1、音頻編碼單元2、DSP處理單元3和音頻輸出單元4，麥克風(fēng)陣列單元I與音頻編碼單元2導(dǎo)通，音頻編碼單元2與音頻輸出單元4以并行方式與DSP處理單元3連接。麥克風(fēng)陣列單元I對(duì)麥克風(fēng)咪頭靈敏度的一致性要求比較高，要求靈敏度偏差不超過ldB，而一般咪頭生產(chǎn)廠家出廠標(biāo)準(zhǔn)是±3dB或者±ldB，本方案對(duì)廠家供貨的咪頭一致性進(jìn)行挑選，挑選靈敏度偏差不超過IdB的組裝在一塊電路板上。咪頭靈敏度偏差比較大會(huì)影響波束形成后的效果，造成指向性偏差。
[0030]其中的麥克風(fēng)陣列單元I如圖2所示，包括4個(gè)MEMS咪頭5，4個(gè)MEMS咪頭5在電路板6上直線排布形成麥克風(fēng)線性陣列，相鄰MEMS咪頭6的中心距為20 ± 0.1mm。并且MEMS咪頭6的靈敏度為_40dB±0.5dB，頻率響應(yīng)為10Hz -1OKHz，長度為3.76mm，寬度為2.95mm，信噪比不小于60dB。
[0031]音頻解碼單元2采用集成IC芯片NAU85L40，NAU85L40最大支持48KHz采樣，系統(tǒng)采用16KHz采樣率，24bi t采樣精度，音頻信號(hào)首先通過PGA放大，然后輸入到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ALC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)PGA增益自動(dòng)地隨音頻輸入信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整，ALC能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視PGA輸出的音頻信號(hào)電平，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，ALC電路自動(dòng)降低PGA的增益；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，ALC電路自動(dòng)增大PGA的增益，以使采集到的信號(hào)保持在最佳電平。NAU85L40通過TDM總線和DSP的McASPO接口對(duì)接，4個(gè)通道的音頻信號(hào)通過時(shí)分復(fù)用的方式輸入到DSP。
[0032]DSP處理單元3是整個(gè)拾音器的核心，首先DSP以dMAX方式接收TDM總線的數(shù)據(jù)，然后按照1/4的交疊率將陣列中4個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)分割成彼此重疊的信號(hào)幀，然后利用256點(diǎn)的短時(shí)傅里葉變換將這些信號(hào)幀的數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)變換到頻域。在每一個(gè)短時(shí)傅里葉變換的子帶上設(shè)計(jì)一個(gè)差分波束，其中差分波束形成的濾波系數(shù)預(yù)先通過求解由零點(diǎn)約束的線性方程組來獲得。利用設(shè)計(jì)好的差分波束形成器對(duì)4個(gè)麥克風(fēng)的短時(shí)傅里葉變換系數(shù)進(jìn)行濾波，以達(dá)到在子帶上消除噪聲并估計(jì)期望信號(hào)的目的。最后，利用重疊相加求和，然后通過256點(diǎn)的短時(shí)傅里葉反變換將估計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，得到重建后的語音信號(hào)。
[0033]麥克風(fēng)線性陣列所采用的麥克風(fēng)咪頭均為全向性咪頭，360°拾音效果相同，理想波束圖等效為圓形，如圖3所示。通過設(shè)計(jì)不同的約束得到差分波束形成系數(shù)，進(jìn)而控制4個(gè)麥克風(fēng)在某一期望方向上可以同向疊加，使拾音器在該方向上增強(qiáng)，而對(duì)其它方向上產(chǎn)生較小的響應(yīng)，形成指向性拾音器。本方案采用心形指向設(shè)計(jì)，波束圖如圖4所示。
[0034]重建后的語音信號(hào)同樣通過dMAX方式發(fā)送給DSP的McASPl接口。音頻輸出單元通過IIS總線連接DSP的McASPl接口，通過IIS Bus Buffer驅(qū)動(dòng)成兩路IIS總線，IISl總線連接DA音頻模擬輸出，IIS2總線連接USB音頻數(shù)據(jù)輸出。
[0035]DA首先將音頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后輸出到OPA長線驅(qū)動(dòng)單元，OPA長線驅(qū)動(dòng)單元將模擬信號(hào)放大，并實(shí)現(xiàn)6000hms非平衡輸出，0ΡΑ長線驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)接RCA插孔輸出和3.5mm耳機(jī)插孔輸出。拾音器提供兩種插孔連接方式，以滿足安防監(jiān)控現(xiàn)場不同的接線需求。USB音頻數(shù)據(jù)輸出采用集成USB to IIS Bridge芯片CP2114接收IIS總線數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成USB包，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的USB異步傳輸。本方案中將拾音器虛擬成PC標(biāo)準(zhǔn)USB聲卡，利用標(biāo)準(zhǔn)錄音軟件例如Adobe Audit1n等即可錄音，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)字傳輸。
[0036]本實(shí)用新型利用麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的指向性拾音器，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0037](I)差分波束形成是頻不變波束形成算法，重建后的語音信號(hào)在人耳敏感的區(qū)域頻率成分無變化，所以重建后的語音信號(hào)清晰度高，可滿足一些關(guān)鍵區(qū)域的高質(zhì)量語音監(jiān)控需要。
[0038](2)拾音器的4個(gè)麥克風(fēng)咪頭對(duì)同向音頻信號(hào)進(jìn)行疊加，指向性好，拾音距離遠(yuǎn)，有效拾音距離可達(dá)20米以上。
[0039](3)與單個(gè)模擬拾音器相比，由于麥克風(fēng)線性陣列接收的聲音信號(hào)已經(jīng)數(shù)字化，可以被進(jìn)一步處理，還可以進(jìn)行聲源分離、解混響以及聲源定位和聲源追蹤等特定功能應(yīng)用。
[0040](4)拾音器除可以使用傳統(tǒng)的模擬音頻接口和攝像頭配合實(shí)現(xiàn)音視頻的同步記錄，還可以使用USB數(shù)字音頻接口，USB數(shù)字音頻接口避免攝像頭AD或Codec芯片二次采樣帶來的電路噪聲，提高攝像頭端音頻信號(hào)的信噪比。
[0041]上述實(shí)施例只是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本實(shí)用新型專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，其特征在于:包括麥克風(fēng)陣列單元、音頻編碼單元、DSP處理單元和音頻輸出單元，所述麥克風(fēng)陣列單元與音頻編碼單元導(dǎo)通，所述音頻編碼單元與音頻輸出單元以并行方式與DSP處理單元連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，其特征在于:所述麥克風(fēng)陣列單元包括4個(gè)MEMS咪頭，4個(gè)MEMS咪頭在電路板上直線排布形成麥克風(fēng)線性陣列，相鄰MEMS咪頭的中心距為20 ± 0.1mm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，其特征在于:所述MEMS咪頭的靈敏度為-40dB±0.5dB，頻率響應(yīng)為10Hz -1OKHz，長度為3.76mm，寬度為2.95臟，信噪比不小于60(^。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，其特征在于:所述音頻解碼單元采用集成IC芯片NAU85L40，所述NAU85L40最大支持48KHz采樣，系統(tǒng)采用16KHz采樣率，24b it采樣精度。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及了一種麥克風(fēng)線性陣列增強(qiáng)指向性拾音器，具有8個(gè)駐極體咪頭的線性陣列拾音器，應(yīng)用于監(jiān)獄看守所等政法機(jī)關(guān)的監(jiān)舍錄音監(jiān)控、安防監(jiān)控。憑借8個(gè)駐極體咪頭線性排列，聲孔同向布置的特定設(shè)計(jì)，通過聲波抵達(dá)陣列中每個(gè)咪頭之間的微小時(shí)差的相互作用，形成算法可控的指向性。利用咪頭線性陣列具有對(duì)遠(yuǎn)場干擾噪聲很強(qiáng)的抑制功能，噪聲環(huán)境下具有良好的信號(hào)采集性，改善拾音器的聲學(xué)效果。內(nèi)置降噪算法極大的降低了環(huán)境、電路等因素導(dǎo)致的噪音?？蓾M足監(jiān)獄看守所等政法機(jī)關(guān)關(guān)鍵區(qū)域的高質(zhì)量語音監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)情況的語音信息全記錄，以便事后可靠的追溯?？煽康恼Z音監(jiān)控對(duì)安裝區(qū)域的治安、反恐、防爆等具有重要意義。
【IPC分類】H04R19/04
【公開號(hào)】CN205249484
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521118423
【發(fā)明人】葛冉, 陳景東, 俞波
【申請(qǐng)人】臨境聲學(xué)科技江蘇有限公司
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日