專利名稱：定向傳聲器裝置和定向傳聲器裝置中的信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定向傳聲器裝置和一種用于在定向傳聲器裝置中處理信號的方法。
定向傳聲器是一種為了在充滿干擾聲音環(huán)境中方便語音理解的高效設(shè)備，因?yàn)樗鼈兙哂幸蕾囉诼曇羧肷浞较虻拿舾行?方向特性)，并因此實(shí)現(xiàn)干擾噪聲的空間上的抑制。
方向特性或方向效應(yīng)說明了傳聲器對從平面所有方向到達(dá)傳聲器上的聲波的靈敏度性能，并主要依賴于傳聲器的構(gòu)造形式。公知的方向特性是球形特性、8字形特性、心形(腎形)特性、超心形(超腎形)特性、過心形(過腎形)特性和波瓣特性。
球形特性的特點(diǎn)在于，從所有的方向同等強(qiáng)地接受聲音。具有球形特性的傳聲器譬如是″壓力接收器″，壓力接收器利用僅以前側(cè)面經(jīng)受聲音場的膜來接受所有位于聲音場中的壓力波動，無論它們從哪個方向來。由于這種傳聲器沒有優(yōu)選的方向效應(yīng)，所以它具有一種球形特性，并常常稱為″球形傳聲器″。
8字形特性的特點(diǎn)在于，特別強(qiáng)地接受來自兩個選出的處于相對方向的聲音。此外，具有8字形特性的傳聲器-也稱為″8字形傳聲器″-是為M/S立體聲方法開發(fā)的，并實(shí)現(xiàn)立體聲基礎(chǔ)直至單聲的補(bǔ)充作用。
具有8字形特性的傳聲器譬如是″壓力梯度接收器″或″壓差接收器″，該壓力梯度接收器或壓差接收器是如下設(shè)計的，即聲音既從前面，但是也從后面到達(dá)膜上，其中，為此需要兩個聲音進(jìn)入孔，使得在側(cè)向入射的聲音情況下不產(chǎn)生膜的偏移，并保證了一種″8字形的″方向特性。
此外，一種達(dá)到比壓力梯度接收器的純機(jī)械裝置更靈活的8字形特性的其它可能性，是由兩個局部稍微錯開的簡單的球形傳聲器所組成的裝置(陣列)。在此通過從后面的球形傳聲器的滯后信號電子地減去(從入射聲音的角度)前面的球形傳聲器信號來產(chǎn)生方向效應(yīng)。通過傳聲器間距和內(nèi)部的電滯后來確定方向特性的準(zhǔn)確形式。
在以角度α入射的聲音情況下，所述的壓差接收器或壓力梯度接收器提供與cos(α)成比例的信號，并因此是具有一階方向特性的定向傳聲器。
在電視會議中，或在自動語音識別時，舍棄電話上的近距會談傳聲器會導(dǎo)至語音與回聲和背景噪聲的重疊。通過采用具有開始時所述特性的定向傳聲器，尤其是通過其主波瓣特別自動地聚焦到說話者上的可控的(定向)傳聲器陣列來補(bǔ)償這些不受歡迎的信號分量?！蹇煽亍逶谶@里意味著，通過-基于入射聲音由定向傳聲器生成的-接收信號的尤其是數(shù)字式的后處理″信號處理″，可以調(diào)節(jié)由一個角度()決定的主波瓣的(定)方向，該角度()被預(yù)先調(diào)定或通過定位和語音檢測的方法被自動地對準(zhǔn)說話者(即是可改變的)。
所以當(dāng)借助″信號處理″來后處理由一個一階的定向傳聲器(譬如壓差接收器)所生成的信號，使得給所述的信號加進(jìn)主波瓣的所希望的方向()，并最后得出與cos(+α)成比例的信號時，則以公知的方式產(chǎn)生一階的可控的定向傳聲器。
但是沒有公布具有二階方向特性的定向傳聲器裝置，尤其是可控的定向傳聲器裝置。
基于本發(fā)明的任務(wù)是提供保證二階的，尤其是可控的定向傳聲器特性的一種裝置和一種方法。
通過權(quán)利要求1或權(quán)利要求9的特征解決此任務(wù)。
按權(quán)利要求1本發(fā)明的定向傳聲器裝置具有-一個具有8字形特性的第一定向傳聲器(″8字形傳聲器″)和一個第二8字形傳聲器，這些傳聲器是如下布置的，使得第一8字形傳聲器的主軸和第二8字形傳聲器的主軸平行于第一軸線，-一個第三8字形傳聲器和一個第四8字形傳聲器，這些傳聲器是如下布置的，使得第三8字形傳聲器的主軸和第四8字形傳聲器的主軸平行于第二軸線，其中，第一軸線和第二軸線是互相正交的，-一個第五8字形傳聲器，該傳聲器是如下布置的，使得第五8字形傳聲器的主軸與第一8字形傳聲器的主軸正交地分布，-一個用于移相的裝置，該裝置連接在第二8字形傳聲器和第三8字形傳聲器之后。
通過這種定向傳聲器保證，用最小數(shù)目的定向傳聲器既實(shí)現(xiàn)了一階的定向傳聲器(接收信號與cos(α)成比例)，也實(shí)現(xiàn)了二階的定向傳聲器(接收信號與cos2(α)成比例)，以便從一個聲波以具有角度α(相對于所述的第一軸線)的方向產(chǎn)生至少幾乎與sin(α)，cos(α)，sin(α)*cos(α)，cos2(α)或sin2(α)成比例的接收信號，其中，濾波器裝置補(bǔ)償相移。此外，所述的裝置僅需要微小的空間，因?yàn)榈谝?字形傳聲器和第二8字形傳聲器之間的間距，以及第三8字形傳聲器和第四8字形傳聲器之間的間距位于3cm的數(shù)量級內(nèi)。
在按權(quán)利要求9的方法中a)如下控制由兩個具有互相平行主軸的8字形傳聲器所組成的第一裝置，使得產(chǎn)生與A*cos2(α)成比例的第一接收信號，b)如下控制由兩個具有互相平行主軸的8字形傳聲器所組成的第二裝置，使得產(chǎn)生與B*sin2(α)成比例的第二接收信號，c)如下控制一個具有一個與所述第一8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器、或與所述第二8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器正交的主軸的第五8字形傳聲器，使得產(chǎn)生一個與C*cos(α)*sin(α)成比例的第三接收信號，d)如下控制主軸互相正交的所述第一8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器和所述第二8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器，使得產(chǎn)生一個與D*cos(α)+E*sin(α)成比例的第四接收信號，e)將所述第四接收信號移相90°，并與所述第一接收信號、第二接收信號以及第三接收信號之和線性地組合，其中，設(shè)定A＝cos2()B＝sin2()C＝-2cos()*sin()D＝cos()E＝-sin()，并其中，α＝來自一個聲波的方向。
＝所述的主波瓣的所希望的方向。
按權(quán)利要求9的本發(fā)明方法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單地實(shí)現(xiàn)至少近似相當(dāng)于二階方向特性的可控的方向特性，其中，通過各個由8字形傳聲器基于以α入射的聲音所生成的接收信號而部分地多次進(jìn)行使用或信號處理，達(dá)到了最小數(shù)目的8字形傳聲器足夠用于生成二階的方向特性。此外，用這種方法也生成一階的方向特性(第四接收信號)，使得可以按需求不同來有選擇地選擇一階或二階的方向特性，其中，也可以組合地選擇一階和二階的方向特性，使得總共能夠生成不同形式的方向特性。
按權(quán)利要求2的改進(jìn)方案，按定向傳聲器裝置的用途不同來實(shí)現(xiàn)由8字形傳聲器所生成的接收信號的后處理，使得譬如在要接收的聲音來自一個優(yōu)選方向的系統(tǒng)中使用時，通過由控制裝置進(jìn)行的″信號處理″確定一個主波瓣方向(角度)，并在要接收的聲音沒有優(yōu)選方向的系統(tǒng)中，同樣地按當(dāng)前的聲音入射方向不同而通過″信號處理″的專門算法來調(diào)節(jié)主波瓣方向。
按權(quán)利要求3和/或4的改進(jìn)方案允許生成與cos(α)*sin(α)和cos2(α)準(zhǔn)確成比例的接收信號，這些定向傳聲器對該比例負(fù)責(zé)。
按權(quán)利要求5和/或6的改進(jìn)方案允許生成與cos(α)和-sin(α)準(zhǔn)確成比例的接收信號，這些定向傳聲器對該比例負(fù)責(zé)。
在按權(quán)利要求7的改進(jìn)方案中涉及一種具有8字特性的定向傳聲器的簡單形式(8字形傳聲器)。
按權(quán)利要求8的改進(jìn)方案保證所述裝置有關(guān)方向特性的更高的靈活性，因?yàn)橥ㄟ^兩種球形特性生成所述的8字特性，并因此在有需求時可以既支配8字形特性，也支配球形特性。此外，這種改進(jìn)方案在裝置調(diào)諧時具有更高自由度的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭梢詫⒎謩e實(shí)現(xiàn)一個8字形傳聲器的球形傳聲器對的球形傳聲器重定位(umositionieren)。
按權(quán)利要求10的改進(jìn)方案允許準(zhǔn)確形成二階的方向特性，因?yàn)樾枰粋€具有球形特性的信號分量用于準(zhǔn)確生成二階的這種特性，如果人們不忽略它-象通常是這種情況那樣-的話，其中，譬如可以通過借助按權(quán)利要求8的一個改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)所述的球形特性。
借助唯一的附圖
闡述本發(fā)明的一個實(shí)施例。此附圖展示具有五個8字形傳聲器的可控制的定向傳聲器裝置(抽象化的示圖)。
在附圖中可以看到第一軸線x1和第二軸線x2。此外還可以看到五個具有8字形方向特性(8字形特性)的定向傳聲器(8字形傳聲器)Mik1，Mik2，Mik3，Mik4和Mik5，其中，分別由一對具有球形特性的錯開布置的定向傳聲器(球形傳聲)形成這些8字形傳聲器，其中，通過由球形傳聲器對的各個球形傳聲器所生成信號的相減達(dá)到所述的8字形特性。
替代所述的球形傳聲器對，也可以采用另外的壓力梯度接收器作為8字形傳聲器，或者各種變型的、尤其具有譬如必要時至少一種球形特性的球形傳聲器對的混合形式。
在第一軸線x1上如下布置了第一8字形傳聲器Mik1，并與此錯開地如下布置了第二傳聲器Mik2，使得它們的主軸與第一軸線x1平行地，尤其幾乎迭合地分布。
此時，附圖中示出的8字形傳聲器Mik1，Mik2，Mik3，Mik4和Mik5的主軸垂直和對中于球形傳聲器對分布。在8字形傳聲器作為壓力梯度接收器的實(shí)施形式中，所述的主軸垂直和對中于膜或這個/這些聲音進(jìn)入孔而分布。
第一8字形傳聲器Mik1和第二8字形傳聲器Mik2在一根軸線上的這種錯開的定位產(chǎn)生二階的定向傳聲器裝置，因?yàn)樗诼曇粢越嵌圈?假設(shè)第一軸線x1為角度的基準(zhǔn)軸線)入射時提供與cos2(α)成比例的接收信號。
在第二軸線x2上如下布置了第三8字形傳聲器Mik3，并與此錯開地如下布置了第四傳聲器Mik4，使得它們的主軸各自與第二軸線x2平行地，尤其幾乎迭合地分布。
這種布置同樣產(chǎn)生二階的定向傳聲器裝置，但是在聲音以角度α入射時，基準(zhǔn)軸線又是第一軸線x1，生成與sin2(α)成比例的接收信號，因?yàn)榈诙S線x2與第一軸線x1正交分布。
尤其如果緊密并列布置了第二8字形傳聲器Mik2和第三8字形傳聲器Mik3，使得它們幾乎處于迭合的位置上，其中，尤其傳聲器的中心點(diǎn)幾乎處于迭合的位置上，則對在實(shí)現(xiàn)二階定向傳聲器裝置時的位置需求的要求降到最小。
在此，在采用球形傳聲器對用于實(shí)現(xiàn)8字形傳聲器時，通過兩個球形傳聲器的連接線段的中心點(diǎn)，或在采用另外的壓力梯度接收器時通過膜的中心點(diǎn)來決定所述的中心點(diǎn)。
通過這種布置，在以角度α入射的聲音的情況下，一方面由第二8字形傳聲器Mik2生成與cos(α)成比例的接收信號，而另一方面由第三8字形傳聲器Mik3生成與sin(α)成比例的接收信號。
尤其如下布置第五8字形傳聲器Mik5，使得它幾乎與第一8字形傳聲器Mik1處于迭合的位置上，尤其使得所述的中心點(diǎn)(請參閱以上的)幾乎處于迭合的位置上。
從這種布置中通過錯開第一8字形傳聲器Mik1和第二8字形傳聲器Mik2，并結(jié)合第二8字形傳聲器Mik2對第三8字形傳聲器Mik3的正交關(guān)系，在以角度α入射的聲音的情況下產(chǎn)生與cos(α)*sin(α)成比例的接收信號。
各個8字形傳聲器Mik1..Mik5的準(zhǔn)確布置，即傳聲器的在各自軸線x1，x2上的各自的錯開間距、是否存在著與軸線x1，x2或各自中心點(diǎn)的迭合性、或是否存在著與軸線x1，x2的平行性，依賴于不同的參數(shù)，譬如首先依賴于所采用傳聲器的偏差，或方向特性的所希望精度的偏差，除此之外，在微小的程度上也依賴于可期望的使用領(lǐng)域(噪聲背景，空間的傳遞函數(shù))，使得它們最后必須通過與適當(dāng)測量結(jié)合的模擬和/或試驗(yàn)結(jié)構(gòu)來求出，并因此輕微的變型是可能的。
為了達(dá)到所說明8字形傳聲器裝置的可控制性，將所述的8字形傳聲器Mik1..Mik5與控制裝置μP，譬如與微處理機(jī)相邏輯連接?？煽刂菩栽诖艘馕吨?，尤其數(shù)字式地進(jìn)一步處理各個8字形傳聲器Mik1..Mik5的各自的接收信號，使得給它們分配分別依賴于角度的系數(shù)或因子，其中，角度(同樣以第一軸線x1為基準(zhǔn))是主波瓣的所希望的取向。
是否確定所述的取向、或所述的取向是否應(yīng)是可改變的，這依賴于定向傳聲器裝置的所計劃的使用方式，并反映在用于確定取向所采用的算法中。
此外通過控制裝置如下控制所說明的8字形傳聲器裝置，使得它現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)一階的可控制的定向傳聲器裝置，和/或二階的可控制的定向傳聲器裝置。
用所述裝置的與K+L*cos(α+)+M*cos2(α+)成比例的輸出信號來實(shí)現(xiàn)一種具有二階的一般方向特性的定向傳聲器裝置，式中，通過具有球形特性的信號得出項(xiàng)(系數(shù))K，在具有一階的8字形特性的信號情況下得出項(xiàng)L*cos(α+)，和在具有二階的8字形特性的信號情況下得出項(xiàng)M*cos2(α+)，并其中，項(xiàng)K一般是可以忽略的，使得它基本上滿足生成一階的8字形特性和二階的8字形特性。
對于一階的8字形特性，因此在一個方法步驟中如下控制所述的裝置，使得選出8字形傳聲器Mik1..Mik5中的兩個，這兩個8字形傳聲器在以角度α入射的聲音情況下生成接收信號，在這些接收信號中一個與cos(α)成比例(第三8字形傳聲器Mik3)，而一個與sin(α)成比例(第二8字形傳聲器Mik2)，其中，按以下的公式D*cos(α)+E*sin(α)線性組合這些接收信號。
為了獲得與cos(α+)成比例的形式，現(xiàn)在在一個信號處理步驟中生成因子D＝cos()和因子sin()，使得按照加法定理cos(x+y)＝cos(y)*cos(x)-sin(y)*sin(x)得出信號(第四接收信號)cos(α+)＝cos()*cos(α)-sin()*sin(α)。
因此在一個進(jìn)一步的方法步驟中，在8字形傳聲器Mik1..Mik5中為了生成二階的8字形特性，選擇在以α入射的聲音情況下生成與cos2(α)成比例的第一接收信號的其它兩個8字形傳聲器(第一8字形傳聲器Mik1和第二8字形傳聲器Mik2)，以及選出第三8字形傳聲器Mik3和第四8字形傳聲器Mik4，它們相互結(jié)合生成與sin2(α)成比例的第二接收信號。
此外，選出第三8字形傳聲器Mik3和第五8字形傳聲器Mik5，它們相互結(jié)合生成與sin(α)*cos(α)成比例的第三接收信號。
隨即在一個信號處理步驟中按以下的公式A*cos2(α)+B*sin2(α)+C*cos(α)*sin(α)組合第一、第二和第三接收信號。
為了得出按cos2(α+)的信號，在應(yīng)用以下的加法定理的條件下cos2(x+y)＝[cos(y)*cos(x)-sin(y)*sin(x)]2＝cos2(y)*cos2(x)-2*sin(y)*sin(x)*cos(y)*cos(x)+sin2(y)*sin2(x)按以下的方式
A＝cos2()B＝sin2()C＝-2*sin()*cos()，展開因子A，B和C，使得產(chǎn)生按照cos2(+α)的二階的8字形特性。
為了最后實(shí)現(xiàn)具有二階的一般方向特性的可控制的定向傳聲器裝置，首先借助連接在第二8字形傳聲器Mik2和第三8字形傳聲器Mik3之后的裝置(譬如希爾伯特濾波器)，來補(bǔ)償存在于一階8字形特性和二階8字形特性之間的達(dá)90°的相位移，使得產(chǎn)生第五接收信號，并隨后用因子加權(quán)地相加第一、第二、第三和第四接收信號。
如果不應(yīng)忽略球形特性(項(xiàng)K)在二階的一般方向特性中的作用分量，則譬如在通過球形傳聲器實(shí)現(xiàn)8字形傳聲器Mik1..Mik5時，可通過采集由各個球形傳聲器所生成信號中的至少一個和隨后的信號處理來生成這個分量以作為第五接收信號。
替代地也給出這種可能性，即如下地線性組合第一和第二接收信號，使得產(chǎn)生具有球形特性的第五接收信號，然后用一個因子加權(quán)地將第一、第二、第三和第四接收信號相加成總和。
所述的實(shí)施例僅是通過本發(fā)明可能的實(shí)施形式中的一個來描述的。在這個領(lǐng)域工作的專業(yè)人員因此有能力，通過有利的修改來創(chuàng)造許多其它的實(shí)施形式(諸如修改方法步驟、修改傳聲器的布置、用途)，而此時不改變本發(fā)明的特性(本質(zhì))(通過信號處理的多重使用用達(dá)到最小數(shù)目的定向傳聲器、根據(jù)主波瓣的取向來生成合適的三角函數(shù)以生成必要的特性等等)。通過本發(fā)明可一同獲得這些實(shí)施形式。
權(quán)利要求
1.定向傳聲器裝置，具有以下的特征a)一個第一8字形傳聲器(Mik1)和一個第二8字形傳聲器(Mik2)是如下布置的，使得所述第一8字形傳聲器(Mik1)的主軸和所述第二8字形傳聲器(Mik2)的主軸平行于一個第一軸線(x1)，b)一個第三8字形傳聲器(Mik3)和一個第四8字形傳聲器(Mik4)是如下布置的，使得所述第三8字形傳聲器(Mik3)的主軸和所述第四8字形傳聲器(Mik4)的主軸平行于一個第二軸線(x2)，c)所述的第一軸線(x1)和所述的第二軸線是互相正交的，d)一個第五8字形傳聲器(Mik5)是如下布置的，使得所述第五8字形傳聲器(Mik5)的主軸與所述第一8字形傳聲器(Mik1)的主軸正交，e)一個用于移相(PV)的裝置連接在主軸互相正交分布的兩個8字形傳聲器(Mik2，Mik3)之后。
2.按權(quán)利要求1的定向傳聲器裝置，其特征在于，一個控制裝置(μP)與所述的第一8字形傳聲器(Mik1)以及第二8字形傳聲器(Mik2)、第三8字形傳聲器(Mik3)以及第四8字形傳聲器(Mik4)和/或第五8字形傳聲器(Mik5)是如下相連接的，使得所述定向傳聲器裝置各自的取向″主波瓣″是可改變的。
3.按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置，其特征在于，所述的第一8字形傳聲器(Mik1)和所述的第五8字形傳聲器(Mik5)是如下布置的，使得所述的第一8字形傳聲器(Mik1)和所述的第五8字形傳聲器(Mik5)處于相鄰的位置上。
4.按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置，其特征在于，所述的第一8字形傳聲器(Mik1)和所述的第五8字形傳聲器(Mik5)是如下布置的，使得所述的第一8字形傳聲器(Mik1)的中心點(diǎn)和所述的第五8字形傳聲器(Mik5)的中心點(diǎn)幾乎處于迭合的位置上。
5.按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置，其特征在于，所述的第二8字形傳聲器(Mik2)和所述的第五8字形傳聲器(Mik3)是如下布置的，使得所述的第二8字形傳聲器(Mik2)和所述的第三8字形傳聲器(Mik3)幾乎處于迭合的位置上。
6.按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置，其特征在于，所述的第二8字形傳聲器(Mik2)和所述的第五8字形傳聲器(Mik3)是如下布置的，使得所述的第二8字形傳聲器(Mik2)的中心點(diǎn)和所述的第三8字形傳聲器(Mik3)的中心點(diǎn)幾乎處于迭合的位置上。
7.按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置，其特征在于，至少一部分所述的8字形傳聲器(Mik1，Mik2，Mik3，Mik4，Mik5)構(gòu)成為壓差接收器。
8.按權(quán)利要求7的定向傳聲器裝置，其特征在于，通過每次兩個錯開布置的球形傳聲器實(shí)現(xiàn)至少一部分所述的8字形傳聲器(Mik1，Mik2，Mik3，Mik4，Mik5)。
9.用于在一個定向傳聲器裝置中，尤其是在按以上權(quán)利要求之一的定向傳聲器裝置中處理信號的方法，具有以下的特征f)如下控制一個由兩個具有互相平行主軸的8字形傳聲器(Mik1，Mik2)所組成的第一裝置，使得產(chǎn)生一個與A*cos2(α)成比例的第一接收信號，g)如下控制一個由兩個具有互相平行主軸的8字形傳聲器(Mik3，Mik4)所組成的第二裝置，使得產(chǎn)生一個與B*sin2(α)成比例的第二接收信號，h)如下控制一個具有一個與所述第一8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器、或與所述第二8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器正交的主軸的第五8字形傳聲器(Mik5)，使得產(chǎn)生一個與C*cos(α)*sin(α)成比例的第三接收信號，i)如下控制主軸互相正交分布的所述第一8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器(Mik2)和所述第二8字形傳聲器裝置的一個8字形傳聲器(Mik3)，使得產(chǎn)生一個與D*cos(α)+E*sin(α)成比例的第四接收信號，j)將所述的第四接收信號移相90°，并分別用因子加權(quán)地將其與所述第一接收信號、第二接收信號以及第三接收信號之和線性地組合，其中，設(shè)定A＝cos2()B＝sin2()C＝-2cos()*sin()D＝cos()E＝-sin()，并其中，α＝來自一個聲波的方向。＝所述的主波瓣的所希望的方向。
10.按權(quán)利要求9的用于控制定向傳聲器的方法，其特征在于，a)如下線性地組合所述的第一接收信號和第二接收信號，使得形成一個具有球形定向傳聲器特性的第五接收信號，b)分別用因子加權(quán)而線性地組合所述的第一接收信號、第二接收信號、第三接收信號、第四接收信號和第五接收信號。
全文摘要
如下構(gòu)五個8字形傳聲器的裝置，使得生成至少幾乎與sin(α)、cos(α)、sin(α)＊cos(α)、cos
文檔編號H04R3/00GK1443432SQ01812914
公開日2003年9月17日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月25日
發(fā)明者S·A·克林克 申請人:西門子公司