專(zhuān)利名稱(chēng)：方向性強(qiáng)的話(huà)筒陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由多個(gè)排列在細(xì)長(zhǎng)單元內(nèi)或細(xì)長(zhǎng)箱體內(nèi)的話(huà)筒組成的話(huà)筒陣列。話(huà)筒陣列中的單個(gè)話(huà)筒成對(duì)排列，其中將各話(huà)筒對(duì)中的單個(gè)話(huà)筒分別設(shè)置到話(huà)筒陣列中心線(xiàn)的兩側(cè)，并且將來(lái)自各話(huà)筒的信號(hào)累加，形成話(huà)筒陣列的輸出信號(hào)。
采用將來(lái)自有限數(shù)目各話(huà)筒的信號(hào)直接累加的此類(lèi)話(huà)筒陣列表現(xiàn)出依賴(lài)于頻率的方向性。通常，方向性取決于陣列的有效長(zhǎng)度和在相關(guān)頻率的聲波波長(zhǎng)。因此，低頻(即波長(zhǎng)L遠(yuǎn)大于陣列長(zhǎng)度的頻率)時(shí)所實(shí)現(xiàn)的方向性差，并且方向性隨著頻率的增加而增強(qiáng)，直到在波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于陣列長(zhǎng)度時(shí)達(dá)到非常強(qiáng)的方向性。
話(huà)筒陣列提供某種程度方向性的最短波長(zhǎng)依賴(lài)于陣列的總體長(zhǎng)度，而方向特性不具有明顯旁波瓣的最高頻率依賴(lài)于陣列內(nèi)話(huà)筒之間的距離。
因此，陣列的長(zhǎng)度以及話(huà)筒之間的距離(還有話(huà)筒數(shù))依賴(lài)于某個(gè)頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)，要求給定的方向性在某個(gè)限度內(nèi)。
例如，在會(huì)談或召開(kāi)會(huì)議時(shí)，使用這種以實(shí)現(xiàn)良好方向性為目的而配置的話(huà)筒陣列，將話(huà)筒設(shè)置到可以檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)可能發(fā)言者發(fā)出聲音的位置，而不檢測(cè)位于房間內(nèi)其它位置、可以使用其它話(huà)筒的發(fā)言者發(fā)出的聲音。此外，這種話(huà)筒陣列還用于同樣要求檢測(cè)講話(huà)者的聲音而不采集其它人員發(fā)出的雜音或通常所說(shuō)的背景噪聲的電話(huà)會(huì)議、電視會(huì)議等等。
還可以用于與個(gè)人計(jì)算機(jī)等有關(guān)的特定用途，在這種情況下，可以展望，可以將話(huà)筒陣列放置到屏幕的附近，例如放置到屏幕的上部，這樣話(huà)筒就可以檢測(cè)到屏幕用戶(hù)發(fā)出的語(yǔ)音。
對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)重要的是話(huà)筒陣列小，因此可以容易地將它放置到適宜的位置，并且因此有合理的價(jià)格，這尤其意味著它需要具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，不應(yīng)含有太多、太復(fù)雜的部件。
例如，上述說(shuō)明中限定的這種話(huà)筒陣列是由第4,311,874號(hào)美國(guó)專(zhuān)利披露的，為了實(shí)現(xiàn)要求程度的方向性，在各話(huà)筒陣列內(nèi)使用了相對(duì)大量的話(huà)筒。以這樣的方式來(lái)排列此陣列內(nèi)的話(huà)筒，即話(huà)筒之間的距離不同，即非等距排列。
此外，已知的話(huà)筒陣列中的話(huà)筒以變化的距離排列，并且其各話(huà)筒被連接到不同類(lèi)型的濾波器。例如，這可以由DE-36 33 991申請(qǐng)公開(kāi)中了解，其中使用了具有相鄰頻帶的帶通濾波器。
本發(fā)明的目的在于，提供一種長(zhǎng)度較短、話(huà)筒數(shù)量較少、裝置相對(duì)簡(jiǎn)單并表現(xiàn)出強(qiáng)方向性的話(huà)筒陣列。
利用正如權(quán)利要求1所披露的那樣配置的話(huà)筒陣列可以實(shí)現(xiàn)此目的。通過(guò)對(duì)話(huà)筒信號(hào)濾波，以便根據(jù)到中心面的距離，對(duì)于高頻不激活話(huà)筒，可以實(shí)現(xiàn)在特定頻率范圍內(nèi)陣列的有效長(zhǎng)度保持與波長(zhǎng)成正比，這樣在相關(guān)頻率范圍內(nèi)就可以保持方向性恒定。此外，當(dāng)保持適當(dāng)少量的話(huà)筒數(shù)時(shí)，通過(guò)適當(dāng)選擇話(huà)筒的準(zhǔn)確位置并相應(yīng)地適當(dāng)選擇濾波器特性，能夠根據(jù)寬頻帶范圍內(nèi)的頻率確定方向性。
根據(jù)權(quán)利要求2所述的適當(dāng)實(shí)施例，利用最少數(shù)目的話(huà)筒并利用給定陣列長(zhǎng)度，在較高頻率f0以下，可以實(shí)現(xiàn)話(huà)筒陣列具有與頻率無(wú)關(guān)的恒定方向性。頻率從f0降到f0/3，可以實(shí)現(xiàn)恒定方向性。此外，頻率在從f0/3降至f0/10范圍內(nèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)可能最強(qiáng)方向性。通過(guò)利用非定向話(huà)筒，例如非定向1級(jí)梯度話(huà)筒，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)話(huà)筒陣列的主波瓣僅與陣列的一側(cè)有關(guān)。
利用權(quán)利要求3所述的特定適當(dāng)實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)在5000Hz降至接近1670Hz的頻率范圍內(nèi)具有恒定強(qiáng)方向性、并且在1670Hz降到接近500Hz的范圍內(nèi)(即在人類(lèi)語(yǔ)音的大部分頻率范圍內(nèi))進(jìn)一步具有盡可能最強(qiáng)方向性的話(huà)筒陣列。
根據(jù)諸如權(quán)利要求6或7所述的另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)在于，它可以立即確定有關(guān)人士是否位于主波瓣區(qū)域內(nèi)，使用方向性強(qiáng)的話(huà)筒陣列時(shí)這非常重要。
以下將參考附圖更詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，其中

圖1a示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列配置方框圖；圖1b示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列的變換配置方框圖；圖2示出話(huà)筒陣列內(nèi)單個(gè)話(huà)筒在立體坐標(biāo)系內(nèi)的位置；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列的方向特性，其中示出在水平面內(nèi)頻率從f0/3至f0的方向特性；圖4示出與圖3所示的方向特性相應(yīng)的方向特性，只是頻率為f0/10；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列的方向特性，其中示出在話(huà)筒陣列的垂直中心面內(nèi)的方向特性；以及圖6示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列的外殼的剖視圖，其中內(nèi)置一個(gè)用于指示陣列主波瓣的目測(cè)指示器。
根據(jù)本發(fā)明的定向話(huà)筒陣列包括細(xì)長(zhǎng)單元或外殼，在細(xì)長(zhǎng)單元或外殼內(nèi)以線(xiàn)性方式，即成行設(shè)置多個(gè)話(huà)筒變送器，并且以下將話(huà)筒陣列稱(chēng)為話(huà)筒。可以將這些話(huà)筒設(shè)置到外殼內(nèi)，這樣就可以從所有方向接收聲音，但是在以下將詳細(xì)說(shuō)明的實(shí)施例中，話(huà)筒僅從話(huà)筒陣列的前方接收聲音，例如當(dāng)使用非定向1級(jí)梯度話(huà)筒時(shí)?？梢岳脠D1a所示的方框圖說(shuō)明定向話(huà)筒陣列的配置。圖1a示出多個(gè)成行排列的話(huà)筒M4-至M4+，將話(huà)筒對(duì)M1-、M1+分別設(shè)置到話(huà)筒陣列的中心線(xiàn)或中心面的兩側(cè)的中心，而剩余話(huà)筒對(duì)M2-、M2+,M3-、M3+,M4-、M4+被相應(yīng)地在中心面的兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)，并逐漸增加距離所述中心面的距離。將各話(huà)筒送出的電信號(hào)分別連接到其單獨(dú)濾波器F4-至F4+，各濾波器分別具有各自傳遞函數(shù)H4-(f)-H4+(f)。將各濾波器配置為利用2階全通濾波器校正相位的3階模擬低通濾波器，并將來(lái)自該濾波器的輸出信號(hào)饋送到累加鏈路S，在累加鏈路S產(chǎn)生話(huà)筒陣列的最終輸出信號(hào)。
可以這樣配置低通濾波器F4-至F4+，使得各對(duì)中的低通濾波器相同并且它們與成對(duì)相關(guān)話(huà)筒對(duì)應(yīng)。因此，截止頻率fc4-至fc4+也成對(duì)相同，可以對(duì)這些頻率加以調(diào)節(jié)，從而使這些頻率從中心面起與話(huà)筒對(duì)的位置Y相關(guān)地減小。
在圖1b中示出構(gòu)成話(huà)筒電路的一種替代方式。在此，在話(huà)筒陣列中利用對(duì)稱(chēng)性，即濾波器F1+對(duì)應(yīng)于濾波器F1+，濾波器F2+對(duì)應(yīng)于濾波器F2-等等。圖1b所示的電路的功能與圖1a所示的電路的功能相同，但是此電路具有更少的部件，其中通過(guò)插入4個(gè)累加鏈路S1至S4，可以節(jié)省4個(gè)濾波器。
在圖2中，在直角三維坐標(biāo)系內(nèi)示出話(huà)筒陣列中單個(gè)話(huà)筒M4-至M4+的位置，其特征在于，將8個(gè)話(huà)筒設(shè)置到Y(jié)軸上。因此，將各個(gè)話(huà)筒對(duì)中的各話(huà)筒分別設(shè)置到X-Z平面的兩側(cè)，其中X-Z平面構(gòu)成話(huà)筒陣列的對(duì)稱(chēng)面。
根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)，話(huà)筒到陣列中心面的距離Y和截止頻率fc均發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)在這些參數(shù)之間存在某種關(guān)系，利用這種關(guān)系可以在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定、強(qiáng)方向性且沒(méi)有明顯旁波瓣。此外，利用這些實(shí)驗(yàn)，可以確定在更高頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)盡可能最強(qiáng)的方向性。
在如下的表1中給出已確定的話(huà)筒的位置Y的近似值，以及濾波器的截止頻率fc的相關(guān)近似值。相對(duì)于基準(zhǔn)頻率f0，對(duì)頻率進(jìn)行歸一化處理，該頻率是所要求的主波瓣所在的頻帶內(nèi)的較高頻率。同樣，相對(duì)于在大氣中具有基準(zhǔn)頻率f0的聲波波長(zhǎng)L0，對(duì)位置數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。在本實(shí)施例中，在頻率與聲波波長(zhǎng)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用的數(shù)值為聲音在大氣中的速度c=342m/s。利用此數(shù)值，對(duì)于最少數(shù)量的話(huà)筒數(shù)，并利用給定長(zhǎng)度的陣列，在高頻f0以下時(shí)，可以使話(huà)筒陣列具有恒定的方向性，而與頻率無(wú)關(guān)。從頻率f0降到頻率f0/3之間可以實(shí)現(xiàn)恒定方向性。此外，在頻率從f0/3降到f0/10的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)盡可能最強(qiáng)的方向性。表1話(huà)筒 位置Y/L0截止頻率fc/f0M1+0.33 1.1M1--0.33 1.1M2+1.03 0.8M2--1.03 0.8M3+1.85 0.45M3--1.85 0.45M4+2.89 0.04M4--2.89 0.04例如，對(duì)于濾波器的截止頻率，利用其頻率特性被示為作為下表2內(nèi)列出的頻率的函數(shù)的幅值和相位的濾波器，可以獲得表1中所列的數(shù)值。表2列出在f0/10至2f0之間濾波器的頻率響應(yīng)，濾波器的頻率響應(yīng)被表示為幅值(dB)和相位(度)。
表2
在根據(jù)本例的實(shí)施例中，上限頻率設(shè)置為5000Hz并且根據(jù)表3所示內(nèi)容進(jìn)行配置，這樣就可以實(shí)現(xiàn)從5000Hz降到接近1670Hz的范圍內(nèi)具有恒定、強(qiáng)方向性的話(huà)筒陣列，并且還可以實(shí)現(xiàn)從1670Hz降到接近500Hz的范圍內(nèi)，即在人類(lèi)語(yǔ)音的大部分頻率范圍內(nèi)具有盡可能最強(qiáng)方向性的話(huà)筒陣列。
利用3階低通濾波器和2階全通濾波器可以直接實(shí)現(xiàn)這些濾波器。從電路技術(shù)的觀點(diǎn)出發(fā)，此實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)提供的信息以多種不同方式完成。
表3話(huà)筒 位置Y(mm)截止頻率fc(Hz)M1+22.3 5500M1--22.3 5500M2+70.3 4000M2--70.3 4000M3+1262300M3--1262300M4+198200M4--198200表4列出對(duì)應(yīng)于表3所示的截止頻率的濾波器的頻率特性，其中用作為頻率函數(shù)的振幅和相位示出頻率特性。
表4
對(duì)于這樣配置的話(huà)筒陣列，可以實(shí)現(xiàn)在水平平面內(nèi)，即在圖2所示的X-Y平面的方向性特性，當(dāng)頻率從f0降到f0/3時(shí)的方向性特性示于圖3?？梢钥吹轿挥诖似矫鎯?nèi)的主波瓣覆蓋-15度到+15度之間的夾角。
圖4示出在考慮陣列的波長(zhǎng)(陣列的總波長(zhǎng)只能等于f0/10處的波長(zhǎng)的0.58倍)情況下，在水平平面對(duì)于頻率f0/10記錄的相應(yīng)方向性特性，由此可以發(fā)現(xiàn)，即使在此低頻率下仍可以對(duì)陣列實(shí)現(xiàn)強(qiáng)方向性。
圖5示出在垂直平面(即圖2所示的X-Z平面)對(duì)于全頻記錄的話(huà)筒陣列的方向性特性，由此可以發(fā)現(xiàn)，在此垂直平面內(nèi)主波瓣覆蓋了從-65度到+65度的夾角。所有所示出的特性都用此夾角描述，相對(duì)于X軸方向的靈敏度具有-3dB的靈敏度。
為了說(shuō)明目測(cè)指示功能，在圖6中示出根據(jù)本發(fā)明的話(huà)筒陣列的外殼10的一部分。所示這部分為垂直平面，例如中心面，即X-Z平面。在外殼10的前部設(shè)置光源11，光源11優(yōu)選為點(diǎn)狀燈，例如可以是發(fā)光二極管。在外殼10的前端設(shè)置開(kāi)口12，光源發(fā)出的光可以由此射出?？梢砸赃@樣的方式設(shè)置開(kāi)口12的邊緣，即在與話(huà)筒陣列主波瓣的夾角區(qū)域一致的特定夾角區(qū)域內(nèi)可以觀察到光源。
在圖6中，在垂直平面內(nèi)示出夾角區(qū)域14，所示的第一眼睛位于指示區(qū)域內(nèi)，所示的第二眼睛位于指示區(qū)域外。通常，由嘴發(fā)出的聲音需要被話(huà)筒陣列檢測(cè)，然而與話(huà)筒陣列與用戶(hù)之間的距離比較，用戶(hù)眼睛與嘴之間的距離無(wú)關(guān)緊要，因此，可以假定當(dāng)用戶(hù)通過(guò)開(kāi)口12可以看到光源11時(shí)，話(huà)筒陣列就可以檢測(cè)到用戶(hù)發(fā)出的話(huà)音。顯然，可以沿外殼全長(zhǎng)以這樣的方式設(shè)置開(kāi)口12，即以同樣的方式指出主波瓣的整個(gè)空間方位角區(qū)域。
權(quán)利要求
1．一種話(huà)筒陣列，該話(huà)筒陣列包括多個(gè)排列在細(xì)長(zhǎng)單元或細(xì)長(zhǎng)外殼(10)內(nèi)的話(huà)筒，在細(xì)長(zhǎng)單元或細(xì)長(zhǎng)外殼內(nèi)話(huà)筒陣列中的單個(gè)話(huà)筒成對(duì)設(shè)置，其中將各話(huà)筒對(duì)中的單個(gè)話(huà)筒分別設(shè)置在話(huà)筒陣列中心線(xiàn)的兩側(cè)，將各話(huà)筒產(chǎn)生的信號(hào)累加以產(chǎn)生話(huà)筒陣列的輸出信號(hào)，其特征在于，中心線(xiàn)兩側(cè)的各話(huà)筒之間以相互不同的間距布置，即非等距布置，并且在各話(huà)筒(M4-至M4+)與累加鏈路(S)之間連接低通濾波器(F1+、F2+、F3+、F4+、F1-、F2-、F3-、F4-)，與同一對(duì)話(huà)筒對(duì)有關(guān)的話(huà)筒被連接到具有相同截止頻率的低通濾波器，其中對(duì)于各話(huà)筒對(duì)低通濾波器的截止頻率是不同的，對(duì)于距離中心線(xiàn)最遠(yuǎn)的話(huà)筒對(duì)(M4-、M4+)截止頻率最低，并且話(huà)筒對(duì)距離中心線(xiàn)越近截止頻率越高，其中以這樣的方式設(shè)置話(huà)筒陣列，即可以按比例對(duì)話(huà)筒之間的距離以及低通濾波器的截止頻率進(jìn)行互相調(diào)節(jié)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，為話(huà)筒陣列設(shè)置8個(gè)話(huà)筒(M1-至M4-、M1+至M4+)，此話(huà)筒陣列直至較高頻率f0仍具有恒定方向性，并且話(huà)筒陣列中心線(xiàn)到話(huà)筒對(duì)中一個(gè)話(huà)筒之間的距離Y為Y1+=0.33L0Y1-=0.33L0Y2+=1.03L0Y2-=1.03L0Y3+=1.85L0Y3-=1.85L0Y4+=2.89L0Y4-=2.89L0其特征在于，與各話(huà)筒對(duì)有關(guān)的低通濾波器的截止頻率fc為fc1+=1.fcfc1-=1.1fcfc2+=0.8fcfc2-=0.8fcfc3+=0.45fcfc3-=0.45fcfc4+=0.04fcfc4-=0.04fc其中L0為較高頻率f0的波長(zhǎng)，在較高頻率f0以下具有恒定方向性。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，所述較高頻率為5000Hz，與68.4mm的波長(zhǎng)L0對(duì)應(yīng)，并且從話(huà)筒陣列中心線(xiàn)到話(huà)筒對(duì)中的各話(huà)筒的距離Y為Y1+=22.3mm Y1-=-22.3mmY2+=70.3mm Y2-=-70.3mmY3+=126mm Y3-=-126mmY4+=198mm Y4-=-198mm其特征在于，與各話(huà)筒對(duì)有關(guān)的低通濾波器的截止頻率fc為fc1+=5500Hzfc1-=5500Hzfc2+=4000Hzfc2-=4000Hzfc3+=2300Hzfc3-=2300Hzfc4+=200Hz fc4-=200Hz
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，低通濾波器為借助于模擬電子學(xué)方法利用二階全通濾波器校正相位的三階低通濾波器。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，所述話(huà)筒陣列中的各話(huà)筒均為相同類(lèi)型的話(huà)筒。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，所述話(huà)筒陣列被裝入細(xì)長(zhǎng)外殼(10)內(nèi)，使各話(huà)筒向外對(duì)著此外殼(10)的一側(cè)，并在此外殼的該側(cè)設(shè)置指示器，當(dāng)所述用戶(hù)位于話(huà)筒陣列主波瓣區(qū)域內(nèi)時(shí)，該指示器可以指示用戶(hù)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的話(huà)筒陣列，其特征在于，所述指示器為光源(11)，光源(11)被裝在外殼(11)的切口或開(kāi)口(12)內(nèi)，這樣將光源限制在外殼的切口或開(kāi)口(12)內(nèi)就形成與話(huà)筒陣列的主波瓣對(duì)應(yīng)的、與此話(huà)筒陣列有關(guān)的夾角。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種具有強(qiáng)方向性的話(huà)筒陣列,該話(huà)筒陣列包括多個(gè)排列在細(xì)長(zhǎng)外殼(10)內(nèi)的話(huà)筒。成對(duì)布置單個(gè)話(huà)筒并且將各話(huà)筒對(duì)中的單個(gè)話(huà)筒布置在話(huà)筒陣列的中心線(xiàn)的兩側(cè)、將各話(huà)筒的信號(hào)累加形成話(huà)筒陣列的輸出信號(hào)。各話(huà)筒之間以非等距布置在中心線(xiàn)兩側(cè),并且在各話(huà)筒(M
文檔編號(hào)H04R3/00GK1325605SQ99812755
公開(kāi)日2001年12月5日 申請(qǐng)日期1999年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月12日
發(fā)明者馬丁·朗格 申請(qǐng)人:Gn奈康有限公司