CN102812725B - 环形麦克风设备和创建环形方向性图的方法 - Google Patents

Abstract

一种视频电话会议定向麦克风包括在垂直轴上一致排列的两个麦克风元件。所述两个麦克风元件被安放在支撑面上，使得第一麦克风元件在所述平面上，第二麦克风元件架高在所述支撑面上方。所述定向麦克风还包括多个滤波器、一个加法器组件以及一个均衡器，这些用于将所述定向麦克风的方向性图形成为环形灵敏度图。所述环形灵敏度图增加了所关注声源方向上的灵敏度，而又同时降低了对来自某些仰角的噪声源产生的任何声波的灵敏度。所述麦克风可配置为在噪声源的设置角度处具有低灵敏度。

Description

环形麦克风设备和创建环形方向性图的方法

技术领域

本公开提供了一种视频电话会议系统。更具体地说，描述了一种麦克风，该麦克风具有与麦克风方位角无关的灵敏度图，并且该灵敏度图在所关注的声源方向最大化灵敏度，而对于来自其他方向的声音最小化灵敏度。

背景技术

视频电话会议系统用来在位于不同房间的两个或更多个人之间、或者两组或更多组人之间创建虚拟会议。这些房间可以是在同一个建筑物中，或者在位于不同城市、国家、大洲等的不同建筑物内。因此，视频电话会议系统可以用来创建会议，否则的话可能需要长途旅行。

为了创建虚拟会议，视频电话会议系统传输视频和音频数据，因此包括一个或多个麦克风来捕获声波。麦克风将在一个视频电话会议室中产生的声波转换为电脉冲，用于传输到另一个视频电话会议室。因此，这种传输音频的质量直接取决于房间内麦克风的位置、房间的音效，尤其是取决于麦克风本身的特性。

例如，用于从所关注声源(诸如人的发言)捕获声音的传统麦克风将接收来自声源的直达声波、反射声波、和混响声波。直达声波未经反射直接传播到麦克风，并且它是麦克风想要捕获的声波。此外，直达声波的强度与所关注声源和接收声音的麦克风之间的距离成反比。

反射声波不直接传播到麦克风。相反，在到达麦克风之前，其被室内的物体或者房间本身进行了多次反射。例如，来自所关注声源的声波可以被墙壁、地板、天花板、椅子等反射。在到达麦克风之前传播少于50-80毫秒(对应17-27米的传播距离)的反射声波被称为“早期反射”。

来自所关注声源的早期反射可以对麦克风接收的音频产生积极的贡献。但是，由于引起梳状滤波效应，早期反射也可能令音频失真。早期反射具有与直达声波近似相等的声压级，但是在时间上有所延迟。该时延引起两个声波之间的相位差，这可能导致当直达声波与早期反射组合时，直达声波的某些频率分量被抵消。这一现象被称为“梳状滤波”，并且对于声音质量具有负面的影响。

传播超过50-80毫秒(17-27米)的反射被称为“混响声”。因为声波已经在室内反射了多次，所以混响声几乎从各个方向到达麦克风。另外，它们的声压级在很大程度上与麦克风-声源距离无关。不同于早期反射，由于产生“拉远”、“空洞”和/或“消音”的特点，混响声总是对音频质量造成负面影响。

由混响声造成的失真的程度由直达声的强度与混响声的强度之比确定。例如，如果所关注声源非常接近麦克风，则直达声与混响声之比很大，并且失真很小。当所关注声源远离麦克风时，直达声与混响声之比将减小，失真增加。

直达声强度等于混响声强度的距离被称为“房间半径”，能够对于每个房间确定该值。当所关注声源移动到房间半径之外时，混响声起主要作用并且失真增加。相反，当声源移进房间半径内的范围时，直达声起主要作用，而失真减小。因此，对于传统的麦克风系统，所关注声源应该保持在房间半径内以避免严重的音频失真。

此外，直达声、反射声和混响声并不仅限于所关注声源，也可以存在于视频电话会议室内的噪声源中。噪声源包括，例如，来自通风系统的风扇噪声，来自电子设备(例如，安装在天花板上的投影仪)的冷却风扇噪声，来自视频电话会议室外的噪声，来自扬声器的声音、移动椅子产生的声音等。传统视频电话会议系统的麦克风也接收来自这些噪声源的直达、反射和混响声波，其恶化了音频质量。

此外，每个噪声源具有不同的主导分量。例如，安装在电子设备上的冷却风扇和源自视频电话会议室外的噪声主要以混响声波的形式给出噪声。某些噪声源，例如通风系统，甚至给出多种噪声分量，即直达和混响声波。

传统麦克风也以回声的形式给出噪声。当来自用于重现从远程方传输到视频电话会议的音频的扬声器的声音被麦克风捕获并被重新发送到远程方时，会出现回声。回声也具有直达、反射和混响声分量，但是一个分量相对于其他分量的优势是由扬声器-麦克风距离确定的，其并不总是常量。

传统上，回声由回声消除器来削弱，回声消除器是针对扬声器-麦克风信道响应训练的自适应滤波器。但是，回声消除器无法避免麦克风接收回声。相反，回声消除器仅削弱已经存在于音频信号中的回声。此外，由于其自适应的性质，回声消除器需要时间针对给定响应来训练，使得不时变扬声器-麦克风信道响应如所期望的。然而在实际中，为了捕获来自多个不同声源的音频，在视频电话会议期间麦克风可能被重新定位，并且不时变扬声器-麦克风信道响应难以实现。因此，典型地，传统视频电话会议系统的回声消除器需要重新训练多次。而且，回声消除器在削弱混响声分量上有困难，导致当混响回声强度提升时增加了运算复杂度。

当全向麦克风被用在视频电话会议系统中时，这一问题更加恶化。全向麦克风以相等的灵敏度从所有方向接收音频，因此从包括噪声源的室内的每个声源接收直达、反射和混响声。实际上，仅有会议桌下的噪声源将被削弱，因为桌子起到了声压波屏障的作用。尽管全向麦克风能够捕获来自所有所关注声源的音频而无需重新定位，但是由于捕获的噪声源的声音，导致结果音频质量较差。

一种提高由视频电话会议系统传输的音频质量的方法是使用定向麦克风。不同于全向麦克风，相对于某些方向，定向麦克风在某些方向比其他方向具有更高灵敏度，并且固有地滤除来自至少一些噪声源的声音。这相对于全向麦克风提高了音频质量，但是也需要对定向麦克风做定向，使得将其最高灵敏度的方向(“主轴”)朝向所关注声源。因此，每当所关注声源改变位置时，定向麦克风需要重新定位。

典型地，具有心形灵敏度图或者双向灵敏度图的定向麦克风被用在视频电话会议中。具有心形灵敏度的麦克风具有给出的方向性函数，其中α是主轴相对水平方向的方位角。典型的心形麦克风在α＝0°处有最大灵敏度，而在α＝180°处具有最小灵敏度。

双向麦克风具有g(α)＝cos(α)给出的方向性函数，其中α也是主轴相对水平方向的方位角。该麦克风在α＝0°和α＝180°处有最大灵敏度，而在α＝90°和α＝270°处具有最小灵敏度。因为心形和双向灵敏度图都是在麦克风的方位角上，所以对于这些麦克风的灵敏度在水平方向和垂直方向变化。

如上所述，心形麦克风或者双向麦克风可以用于视频电话会议系统，以提高音频质量。将心形或双向麦克风放置在桌上也提高了音频质量，因为对于源自桌面之下的声音，桌子起到了声音屏障的作用，这提高了直达音频与混响音频之比。

通过将麦克风直接放置在桌面表面上也可以提高麦克风灵敏度，因为在该平面麦克风接收直达声波和由桌子反射的声波(即早期反射)。直达声波和桌子反射的反射声波保持同相，并且组合形成了加倍直达声波声压的声压波。与自由场中的麦克风相比，这有效地增加了麦克风灵敏度6分贝，并且其通常被称作“边界原理”。

但是，双向麦克风仍然需要使所关注声源保持位于麦克风主灵敏度方向的附近。因此，当多人参加会议时，必须不断的重新调整麦克风以避免降低音频质量。这就需要参加视频电话会议的人员为了进行位置调整而了解麦克风的灵敏度图，从而使得定向麦克风难以用于非专业用户。

传统的麦克风系统使用多个定向麦克风以避免麦克风重新定位。例如，一种现有技术的麦克风使用四个彼此相对旋转90°的心形元件，并选择来自主轴与所关注有效声源最接近的麦克风元件的音频。另一种传统的麦克风系统使用两个彼此相对90°放置的双向麦克风元件，并且使用音频处理以创建虚拟的麦克风灵敏度图。例如，如果这两个双向麦克风的物理双向图存在于主轴0°和90°，则可以在45°至135°的范围内创建虚拟图。

但是，上述的传统麦克风系统产生了时变的扬声器-麦克风信道响应，这增加了消除回声的复杂度，并且迫使回声消除器更频繁的重新训练。最优的回声消除可能被频繁的回声消除器重训练所阻止。这些传统的麦克风系统也需要更复杂的硬件，增加了安装的难度。

为了避免增加系统复杂度和安装难度，在视频电话会议系统中优选的是固定灵敏度图的麦克风。上面讨论的全向麦克风具有固定的灵敏度图，但是缺乏抑制混响声的能力。定向麦克风也具有固定的灵敏度图，并且能够抑制混响声，但是需要频繁的重新定位。

第三种具有固定灵敏度图的传统麦克风是环形麦克风。环形麦克风的灵敏度图是环形的，并且由g(θ)＝sin(θ)给出。一种这样的传统环形麦克风可以由两个正交的、水平方向一致的双向麦克风元件构成，这两个麦克风元件的输出信号以正交相位来叠加。可替代地，一种二阶环形麦克风可以配置为通过四个正交的、水平方向一致的、其输出信号以同相叠加的双向麦克风来构成，其具有由g(θ)＝sin²(θ)给出的灵敏度图。可替代地，每个双向麦克风可以通过减少两个全向元件进行配置。每一对中的一个元件可由所有四对所共享，即二阶环形麦克风可以利用五个全向麦克风进行配置。

因为环形麦克风的灵敏度图取决于麦克风的仰角而非方位角，所以其灵敏度仅在垂直方向变化。因此，环形麦克风可以捕获来自遍布房间不同位置的声源的声音，而不用重新定位。在20世纪60年代，Sessler等人提出了在电话会议中利用环形圈状的定向麦克风[G.M.Sessler,J.E.West,andM.R.Schroeder,"Toroidal microphones,"The Journal of the Acoustical Societyof America,vol.46,no.1A,pp.28-36,1969]。将麦克风置于圆桌之上，该想法旨在使用较高的相等灵敏度覆盖与会人员，同时削弱混响噪声场并抑制来自扬声器的声学回声路径。

但是，Sessler的二阶环形是利用五个定向麦克风元件来创建的，或通过使用管材对声场取样来创建的。因为利用管材的实现方式很难实现听觉上的均衡，并且具有管式共鸣所导致的限制性和问题，所以已提出了一种可替代的方法，即利用四个双向元件以及一个塑料圆筒[G.M.Sessler andJ.E.West,"A simple second-order toroid microphone,"Acustica,vol.57,no.4-5,pp.193-199,1985]。与上文所述的利用多个麦克风元件制造二阶环形麦克风的意图相同，实现环形方向性图所需的大量麦克风元件会产生麦克风元件的相位匹配和灵敏度匹配问题。因此，现有技术的环形麦克风尺寸大、成本高并且很难实现。

因此，如本发明人所认识到的，需要有一种麦克风，该麦克风具有与麦克风方位角无关的灵敏度图，并且该灵敏度图在所关注声源的方向最大化灵敏度，而在噪声源方向最小化灵敏度。该麦克风还应包括尽可能少的麦克风元件，以降低成本和复杂度。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种消除如上所述的缺点的布置以及该布置的应用。所附独立权利要求定义的特征表征了本系统及其应用。

一种环形麦克风，包括第一麦克风元件组件，其具有邻接支撑面布置的第一麦克风元件以及连接到第一麦克风元件的第一滤波器，第一滤波器的频率响应是H₁'(k)；第二麦克风元件组件，其具有第一麦克风元件和连接到第一麦克风元件的第二滤波器，第二滤波器的响应是H₁″(k)；第三麦克风元件组件，其具有在距支撑面预定距离(d₂)处布置的第二麦克风元件和连接到第二麦克风元件的第三滤波器，第三滤波器的响应是H₂(k)。

环形麦克风进一步包括加法器组件，加法器组件被配置为通过将第一和第三麦克风组件的输出相加并减去第二麦克风的输出以将第一、第二和第三麦克风组件的输出组合为加法器组件输出。第一、第二和第三滤波器的组合为环形麦克风产生环形方向性图。

附图说明

通过参照附图并结合下面的详细说明，可以更完整地了解本发明并更好地理解其许多附带的优点。但是，附图及其示例性的描述不以任何方式限制由本说明书所包含的发明的范围。由说明书和附图所包含的发明的范围由所附权利要求的文字定义。

图1是根据本公开的一示例性实施例的包括麦克风的视频电话会议系统的音频分布部分的示意图；

图2是根据本发明的一示例性实施例的设置在桌面的环形麦克风的环形灵敏度图的示意图；

图3是根据本发明的一示例性第一实施例的环形麦克风的示意图；

图4是根据本发明的一示例性实施例的用于实现对应于频率响应H₁(k)、H₂(k)和H_EQ(k)的功能的处理器的示意图；

图5包括根据本发明的一示例性实施例的对于6种频率的6个环形灵敏度图的示图；

图6是根据本发明的一示例性第一实施例的响应(H₁(k))的幅度图；

图7是根据本发明的一示例性第一实施例的频率响应(H_EQ(k))的幅度图；

图8是根据本发明的一示例性第二实施例的环形麦克风的示意图；

图9是根据本发明的一示例性第二实施例的环形麦克风的作为参数β₂的函数计算出的方向性指数；

图10是根据本发明的一示例性第二实施例的环形麦克风的对于三个不同的β₂值的方向性函数图；

图11是根据本发明的一示例性第二实施例的环形麦克风的具有线性刻度所示的最大化方向性指数DI的方向性图；

图12是根据本发明的另一示例性实施例的环形麦克风的示意图。

具体实施方式

在下文中，将通过参照附图描述优选的实施例来讨论本发明。但是，本领域技术人员将在如所附权利要求定义的本发明的范围内实现其他应用和修改。

图1是视频电话会议系统的音频部分的示意图。在图1中，房间110a中的说话人10a和房间110b中的说话人10b参与一个视频电话会议。房间110a和110b可以是在同一个建筑物内物理上彼此邻近的，或者相距数百或数千英里。因此，通信链路140用于在房间110a和110b之间传送视频和音频数据。

示例性通信链路140可以是有线的，例如PSTN电话系统、广域网(WAN)、局域网(LAN)或者自组网(Ad-hoc)。示例性通信链路140也可以是无线的，例如蜂窝网络、WiMax、Wifi或者经由卫星链路。此外，通信链路140也可以是有线和无线网络的组合。

图1的房间110a和110b是彼此呈镜像的，并且包括相同或相似的设备。当然，本领域技术人员将认识到本文描述的本发明包括可替换的配置。房间110a和110b分别包括环形麦克风20a或20b、麦克风放大器30a或30b、A/D转换器40a或40b、回声消除器50a或50b、编码器60a或60b、解码器70a或70b、D/A转换器80a或80b、功率放大器90a或90b以及扬声器100a或100b。

当说话人10a讲话时，从他或她嗓音中发出的声波传播到环形麦克风20a，并被转换为电脉冲。麦克风放大器30a放大这些电脉冲，而A/D转换器40a将它们转换为数字音频数据。然后数字音频数据传播到回声消除器50a，回声消除器50a使用传输路径130a筛选(tap)解码器70a的输出，以降低包含在数字音频数据中的任何回声。一旦降低了回声，数字化音频数据被转移到编码器60a，编码器60a根据通信链路140的格式编码数字化的信号。然后通信链路140将数字化的音频数据传递到房间110b。

在房间110a接收的数字音频数据首先由解码器70a根据通信链路140的传输协议进行解码。如上所述，解码的数字音频数据被用于降低回声，并且也被D/A转换器80a转换为电脉冲。电脉冲经功率放大器90a放大，并被扬声器100a转换为声波。

尽管上面的描述仅涉及房间110a，其同样适用于房间110b。因此，在房间110a和110b中的视频电话会议系统的音频部分允许说话人10a和10b通过通信链路140同时地交换音频数据。

而且，麦克风放大器30a、A/D转换器40a、回声消除器50a、编码器60a、解码器70a、D/A转换器80a以及功率放大器90a可以分别以硬件或软件元件实现，或者集成到诸如ASIC“片上系统”的单个设备中。麦克风放大器30b、A/D转换器40b、回声消除器50b、编码器60b、解码器70b、D/A转换器80b以及功率放大器90b可以按相同的方式集成，或者单独地实现。

尽管上面描述了关于两个说话人在两个房间的视频电话会议，其他配置也是可行的。例如，三个或更多的房间可以由通信链路140连接到公共的电话会议，并且每个房间都可以有一个以上的说话人。此外，也可以使用独立的桌面电话会议单元，以允许每个说话人加入电话会议而无须离开办公桌，并且一些说话人也可以使用纯音频通信来加入到电话会议。本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以有许多其他视频电话会议配置。

图2是根据本发明的一示例性实施例的环形麦克风的环形方向性图的示意图。图2包括安装在桌子的示例性桌面220上的麦克风A(图中未示出)。麦克风A的灵敏度图由灵敏度瓣210定义。该方向性图本质上是环形方向性图，其中，麦克风在水平方向接近于声源的位置具有最大灵敏度。因为该方向性图是环形的，所以方向性与方位角无关，而是取决于仰角。根据本发明的环形麦克风还可以附着到头顶安装件上，例如可将麦克风附着到包括平表面的有机玻璃板或任何安装件。高架的环形麦克风A的灵敏度图定义了增强灵敏度的区域。灵敏度瓣210与说话人200对准。因此，相比于其他声源，麦克风A对于源自说话人200的声音更加灵敏。因此，由于在灵敏度图中灵敏度瓣210中心的空隙，麦克风A对于垂直于安装件表面220直接传播的声音(头顶噪声)相对不灵敏。

在图2中，头顶安装件(未示出)和桌子仅是示例性的，因此不是进行限制。头顶附件可以是本领域里通常使用的任何形状、高度以及材料。同样地，桌子可以是本领域里通常使用的任何形状、高度以及材料。此外，说话人200也可以在左侧、桌后、桌前或者房间270中的任何另外一个位置。在不脱离本发明的范围的情况下，环形麦克风A也可以适用于多个说话人。

与现有技术的环形麦克风相反，本发明仅利用了与反射性支撑面相关联的两个全向麦克风元件，如图3所示。反射性表面位于xy-平面。不同于在现有技术中将麦克风元件置于xy-平面(见背景技术部分的引用)，麦克风元件是沿z-轴放置的。假定平面波和全反射，进入置于桌面上方的麦克风的音频将成为进入置于z＝0的平面内的麦克风的音频的提前或延迟版本。以距离d_i置于表面之上的N个全向元件的组合将产生以下声压响应：

$E_N(k,\mathrm{\θ})=A_0{e}^{-\mathrm{jkr}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[H_i\left(k\right)(e^{\mathrm{jk}{d}_i\cos \mathrm{\θ}}+e^{-\mathrm{jk}{d}_i\cos \mathrm{\θ}})\right]---\left(1\right)$

$=2A_0{e}^{-\mathrm{jkr}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[H_i\left(k\right)\cos \left(k{d}_i\cos \mathrm{\θ}\right)\right],---\left(2\right)$

其中，A₀是平面-波幅度，H_i(k)是连接到各个麦克风的滤波器，假定d_i与波长相比很小。在上面的等式中，k＝ω/c是波数，其中ω是角频率，c是声速，d_i是从反射性表面到麦克风i的距离。选择N＝2并且d₁＝0，如根据图3的配置所示，声压响应为：

E(k，θ)＝2A₀e^-jkr[H₁(k)+H₂(k)cos(kd₂cosθ)].     (3)

可选择地，可以增加均衡滤波器H_EQ(k)以控制系统的频率响应：

E(k,θ)＝2A₀e^-jkrH_EQ(k)[H₁(k)+H₂(k)cos(kd₂cosθ)]     (4)

图3是根据本发明的一示例性实施例的环形麦克风300。环形麦克风300包括两个全向麦克风元件340、350，以及对应于频率响应H₁(k)的一个电子滤波器330(在此实施例中，等式(4)中的滤波器H₂(k)被设置成单位，H₂(k)＝1)。滤波器330的输出与麦克风元件340的输出在求和节点360中相加，并在频率响应为H_EQ(k)的均衡滤波器320中被均衡。环形麦克风300的总体输出370对应于均衡滤波器320的输出。

麦克风元件340和350被布置在桌子305(或表面)上，以捕获直达声波310以及由桌面305反射的声波315。麦克风元件340直接置于桌子305上，以利用边界原理。麦克风元件350与麦克风元件340关于垂直轴重合，但是其在桌子305上方距离(d₂)处。在上面的描述中，距离(d₂)应小于环形麦克风300所捕获的最高频率分量的波长的一半。

在图3中，直达声波310以入射角(θ)到达桌子305，被桌子305反射以形成反射声波315。麦克风元件350捕获直达声波和来自桌子的反射声波，利用压力加倍原理来增加灵敏度。麦克风元件340接收直达声波310和相对于直达声波310延时的反射声波315。反射声波315的延时量取决于入射角(θ)和距离(d₂)。任何源自桌下的声波被桌面305阻挡。

由麦克风元件350捕获的声波被转换为电脉冲，并被提供给滤波器330进行处理。由麦克风元件340捕获的声波被转换为电脉冲，并被提供给求和节点360。滤波器330连接于麦克风元件350并定义了方向性函数，并且其被选为：

H₁(k)＝-cos(kd₂)        (5)

在上面的等式中，k＝ω/c是波数，其中ω是角频率，c是声速，d₂是从反射性表面到麦克风340的距离。

滤波器330产生的结果电信号和麦克风元件340产生的电信号在求和节点360中相加，并且然后被均衡滤波器320均衡。均衡滤波器320定义了频率响应，并且根据本发明的一实施例，对于在入射角(θ₀)处理论上的平坦响应，如下式给出：

$H_{\mathrm{EQ}}\left(k\right)=\frac{1}{2[\cos {\left(k{d}_2\cos {\mathrm{\θ}}_0\right)}_1-\cos \left(k{d}_2\right)]}---\left(6\right)$

其中，k，d₂和c的定义都如上文所述，θ₀可以按要求进行选择，但应为说话人的入射角的平均值。θ₀可以略低于平均角度值，因为人与麦克风离得越近，直达声的强度就越大。θ₀的典型值为70°，这约等于位于水平距离为1.25米并且嘴高于桌子0.45米的讲话人(或说话人)的平均值。

应该注意，本发明不限于70°的入射角。70°的仰角被认为适合于大多数会议室的配置，但是也可以使用30°至80°之间的其它角度。

滤波器330和320以及求和节点360可以以数字结构实现，在这种情况下，A/D转换器(未示出)将来自麦克风元件340和350的电脉冲转换为数字音频数据。滤波器330优选以有限脉冲响应(FIR)滤波器实现，然而也可以以无限脉冲响应(IIR)滤波器实现。如果滤波器330为线性相位，则必须在其他路径(来自桌面上方的麦克风340的信号)增加延迟，以仿真非因果滤波器。此外，均衡器H_EQ(k)也可以以IIR或者FIR滤波器实现。

滤波器330、求和节点360以及均衡滤波器320也可以分别实现或者集成在单个设备中。例如，滤波器330、求和节点360以及均衡器320可以在诸如图4中的PC计算机400上实现。计算机400包括用于执行运算的处理器405，用于存储编程指令的只读存储器(ROM)430，以及可以包括RAM存储器、FLASH存储器、EEPROM存储器或者任何其他可重写存储器的主存储器425。主存储器425存储临时数据、指令等。计算机400也包括用于控制显示器设备460的显示器控制器420，用于控制硬盘445和/或CD-ROM驱动器440的盘控制器435，以及用于控制点选设备450和键盘455的I/O接口410。所有上述部件通过总线415互连。

硬盘驱动器445和CD-ROM驱动器440可以集成到计算机400中，或者可以是可拆卸的。同样地，至少一部分主存储器425也可以是可拆卸的。尽管未在图4中示出，I/O接口410也可以连接到网络、电话系统、WiFi网络、蜂窝网络、WAN、LAN等。

频率响应(H₀、H₁、H₂和H₃)和求和节点335也可以以实用程序、背景演示或操作系统组成部分，或者这些的任意组合在计算机400上实现，从而使得与处理器405和诸如Microsoft VISTA、UNIX、SOLARIS、LINUX、Apple MAC-OS及本领域技术人员公知的其他系统的操作系统来协同运行。

此外，滤波器330、求和节点355以及均衡器320也可以共同或分别在硬件中实现，在诸如FPGA、ASIC、微控制器、PLD设备上实现，或者在诸如光盘的其他计算机可读介质上实现。

图5包括对于具有等于0.02米的距离(d₂)的桌面环形麦克风的一系列极性响应。这些极性响应仅对环形麦克风所放置的表面之上的角度做了定义，因为该表面阻挡了来自90°至270°角度的任何声波。每个图对应环形麦克风在不同频率的响应。作为例子，介绍了100赫兹、240赫兹、577赫兹、1,386赫兹、3,330赫兹和8,000赫兹的频率。但是，对于任何频率都可以产生环形麦克风的响应。

图6是对应于滤波器330的频率响应(H₁)的幅度响应图。在图6中包括了线性响应(上图)和以分贝表示的响应(下图)，并且实线对应0.02米的距离(d₂)。滤波器330可以以线性相位(FIR)滤波器实现，但是，诸如IIR滤波器或者模拟滤波器的其他实现方式也是可能的。

图7包括对应于均衡器320的频率响应(H_EQ)的幅度图，即线性刻度图(上图)和对数(以分贝表示的)刻度图(下图)。均衡器320可以以线性相位(FIR)滤波器实现，但是，诸如IIR滤波器或者模拟滤波器的其他实现方式也是可能的。此外，在图7中，实线对应0.02米的距离(d₂)。

均衡器320的低频增益可能放大麦克风元件340和350产生的内部噪声，此内部噪声是不合需求的。此外，均衡器320的低频增益还可能放大A/D转换器噪声、量化噪声或数字舍入引起的噪声。

可替代地，均衡器320的一些低频增益可以传送到滤波器330和与麦克风340相关联的新滤波器H₂(k)。这样可能减少源自滤波器330或滤波器330之后的数字/量化噪声问题。此外，低频方向性图的一些降质是可接受的，作为交换，得到消除了低频噪声的滤波器响应。同样地，为了降低系统噪声，高频灵敏度图的一些降质也是可接受的。

图8是根据本发明的一第二示例性实施例的环形麦克风800。参照上面的等式(4)，选择H₂(k)＝β₂并且H_EQ(k)＝1，图8a中的两个全向麦克风的声压响应可以写为：

E(k，θ)＝2A₀e^-jkr[H₁(k)+β₂cos(kd₂cosθ)].       (7)

其第二阶的级数展开式可以写为

选择

$H_1\left(k\right)=\frac{1}{2}{\left(k{d}_2\right)}^2-{\mathrm{\β}}_2---\left(9\right)$

得到响应

因此，通过改变常量β₂可以创建环形图的各种度数，其中β₂＝0得到全向图，β₂＝1产生近似二阶环形图，如图2和图5所示。

因此，根据第二示例性实施例的环形麦克风800包括两个全向麦克风元件810和820、一个对应频率响应H₁'(k)的电子滤波器830(处理等式9中的H₁(k)的一部分)、一个对应频率响应H₁″(k)的电子滤波器835(处理等式9中的H₁(k)的剩余部分)以及一个对应频率响应H₂(k)的电子滤波器840。此外，加法器组件855通过将滤波器830和840的输出相加并减去滤波器835的输出以将滤波器830、835和840的输出组合为加法器组件输出。根据一示例性实施例，加法器组件包括两个求和节点850和860，其中滤波器830的输出与滤波器840的输出在求和节点850中相加，并且求和节点850的输出在求和节点860中被减去滤波器835的输出。环形麦克风的总体输出870对应于加法器组件855的输出。上述加法器组件仅是示例性的，因此并不是进行限制。在图8b所示的可替代的示例性实施例中，加法器组件855包括两个求和节点，其中滤波器840的输出在求和节点860中被减去滤波器835输出。求和节点860的输出与滤波器840的输出在求和节点850中相加，使得加法器组件855的输出是求和节点850的输出。根据图8c所示的另一示例性实施例，加法器组件855包括一个求和节点以及一个具有负单位增益的信号放大器。滤波器835的输出由放大器845放大，滤波器840的输出与滤波器830的输出和放大器845的输出在求和节点850中相加，使得加法器组件855的输出是求和节点850的输出。当然，上面讨论的减去滤波器835的输出也可以通过在滤波器835中应用负增益(-β₂)然后将滤波器835的输出与滤波器840和830的输出相加来实现，如图8d所示。因此，根据图8d中的另一示例性实施例，加法器组件包括两个求和节点850和860。在此实施例中，滤波器835是一个具有增益-β₂的放大器以及具有负单位增益的信号放大器。滤波器835的输出与滤波器840的输出在求和节点860中相加，滤波器840的输出与求和节点860的输出在求和节点850中相加，使得加法器组件将来自麦克风810的由滤波器830进行滤波的信号与来自麦克风820的由滤波器840进行滤波的信号相加，然后减去来自麦克风1的由增益β₂放大的信号。

麦克风元件810和820被布置在桌子805(或表面)上，以捕获直达声波以及由桌面805反射的声波。麦克风元件810直接置于桌子805上，以利用边界原理。麦克风元件820与麦克风元件810关于垂直轴重合，但是其在桌子805上方距离(d₂)处。在上面的描述中，距离(d₂)应该小于环形麦克风800所捕获的最高频率分量的波长的一半。距离(d₂)可以在0.01-0.2米的范围之内。

在图8中，直达声波以入射角(θ)到达桌子805(如图3所示)，被桌子805反射后形成以反射角反射的反射声波。麦克风元件810捕获直达声波和来自桌子的反射声波，利用压力加倍原理来增加灵敏度。麦克风元件820接收直达声波310和相对于直达声波延时的反射声波。反射声波315的延时量取决于入射角(θ)和距离(d₂)。任何源自桌下的声波均被桌面805阻挡。

由麦克风元件810和820捕获的声波被转换为电脉冲，并被提供给滤波器830、835和840用于处理。在第一麦克风元件组件中，滤波器830连接于麦克风元件810，并且其被选为：

${H_1}^{\′}\left(k\right)=\frac{1}{2}{\left(k{d}_2\right)}^2---\left(11\right)$

在上面的等式中，k＝|k|＝ω/c是波数，其中ω是角频率，c是声速，d₂是从反射性表面到麦克风820的距离。在第二麦克风元件组件中，滤波器835连接于麦克风元件810，并且其被选为：

H″₁(k)＝β₂     (12)

参照上面的等式9，H₁(k)＝H₁'(k)-H₁″(k)。在第三麦克风元件组件中，滤波器840连接于麦克风元件820，并且其被选为：

H₂(k)＝β₂     (13)

在上面的等式中，β₂是常量。滤波器840和835可以是放大器，例如运算放大器，具有增益β₂。

滤波器830产生的结果电信号、滤波器840产生的结果电信号和滤波器835产生的结果电信号在加法器组件855中组合，使得滤波器830和840产生的结果电信号相加并减去来自滤波器835的结果电信号。根据一非限制示例性实施例，滤波器830产生的结果电信号与滤波器840产生的结果电信号在求和节点850相加。此外，求和节点850产生的结果电信号在求和节点860被减去滤波器835产生的结果电信号。可替代地，滤波器830产生的结果电信号在求和节点(未示出)被减去滤波器835产生的结果电信号，然后，来自上述求和节点(未示出)的结果电信号与滤波器840产生的结果电信号在求和节点850相加。在后一种的替代中，环形麦克风800的总体输出870对应于求和节点850的输出。滤波器830、835和840定义了环形麦克风800的方向性。

然后，加法器组件855的输出被均衡滤波器880均衡。均衡滤波器880调整了频率响应，并且在本发明的第二实施例中，其可以被设计为：

H_EQ(k）＝K*H_LP(k)*H_HP(k)    (14)

其中，H_LP(k)是利用其1/ω²斜率拉平远端场响应的二阶巴特沃斯低通滤波器。H_LP(k)的截止频率定义了类环形方向性图的频率下限。截止频率的适当选择取决于麦克风自身的噪声。增益系数K和高通滤波器H_HP(k)是可选择的。增益系数K和高通滤波器H_HP(k)与H_LP(k)串联，并且削弱了语音谱外不需要的低频噪声。滤波器880的相位响应是非临界的，因此可有效地以一个或多个无限脉冲响应(IIR)滤波器实现此响应。可替代地，上述均衡化嵌入在滤波器830、835和840中。

滤波器830、835、840和880以及加法器组件855(例如求和节点850和860)可以以数字结构实现，在这种情况下，A/D转换器(未示出)将来自麦克风元件810和820的电脉冲转换为数字音频数据。然后，滤波器830、835、840和880可以以无限脉冲响应(IIR)滤波器或有限脉冲响应(FIR)滤波器实现。滤波器830优选以有限脉冲响应(FIR)滤波器实现，但也可以以无限脉冲响应(IIR)滤波器实现。如果滤波器330为线性相位，则必须在其他路径(第二和第三麦克风元件组件的信号路径)增加延迟，以仿真非因果滤波器。

如上所述，均衡化可以嵌入在滤波器830、835和840中。然后，在第一麦克风元件组件中，滤波器830被选为：

H₁′（k）＝1       (15)

在第二麦克风元件组件中，滤波器835被选为：

$H_1^{\′\′}\left(k\right)={\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left(k{d}_2\right)}^2}---\left(16\right)$

其中，参照上面的等式9，H₁(k)＝H₁'(k)-H₁″(k)。在第三麦克风元件组件中，滤波器840被选为：

$H_2\left(k\right)={\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left({\mathrm{kd}}_2\right)}^2}---\left(17\right)$

在上面的等式中，β₂是常量。在此可替代的方案中，H_EQ可以省去。

方向性因数D是麦克风技术领域中通用的度量标准，其描述了麦克风的增益或置于同一声场中的全向麦克风的麦克风阵列的增益。方向性因数的计算被本领域技术人员所公知，因此不再详细讨论。方向性因数通常以对数刻度形式存在，其被称为方向性指数(DI)

DI＝10log₁₀D    (dB)

图9示出了对于不同的β₂值的方向性指数DI如何随着不同的噪声功率分布(对于θ₀＝90°和θ₀＝70°的u(ω,θ,))进行变化。此图明确地示出了β₂＞1是对于这些噪声场的较优选择，而且在很多情况下，通过选择合适的β₂可以将方向性指数提高1分贝以上。

对于θ₀＝90°，据计算，在时，根据本发明的第二实施例的环形麦克风的方向性指数为其最大值，最大方向性因数对应方向性指数3.5分贝。这可能是在二阶环形图(β₂＝1)之上微小的提高，但仍然值得注意。如图10的极性图所示，第一零点置于

β₂的适当选择最终取决于室内的噪声场；麦克风到邻近噪声源的距离好比是其混响半径，r_c(使来自直达声场的影响和来自漫射场的影响均等的距离被称为混响半径，或有时称为临界距离)。在实际中，设置θ₀使其与来自重要噪声源的噪声(例如，来自邻近HVAC系统出口的噪声、扬声器在天花板反射的噪声等)的入射角相重合是很有成效的。在很多情况下，该角度可能不是θ₀＝0。图11示出了根据本发明的第二实施例的环形麦克风的具有以线性刻度表示的最大化Di的方向性图。

图12是根据本发明的环形麦克风的另一示例性实施例。在图12中，三个全向麦克风元件1210、1220和1230用于降低系统噪声的影响。麦克风元件1210直接置于桌面1205，而麦克风元件1220和1230关于垂直轴与麦克风1210对准。麦克风1220以距离(d₂)位于麦克风1210之上，而麦克风1230以距离(d₃)，大概四倍于距离(d₂)，位于麦克风1210之上。此外，麦克风1210连接到滤波器1250和1255。

滤波器1250的输出和麦克风元件1220的输出在高频求和节点1240处相加。滤波器1255的输出和麦克风元件1230的输出在低频求和节点1245处相加。低频求和节点1245的输出被低频均衡器1260均衡，然后由低通滤波器1265进行滤波。同样地，高频求和节点1240的输出被高频均衡器1270均衡，然后由高通滤波器1275进行高通滤波。低通滤波器1265的输出和高通滤波器1275的输出在求和节点1280处相加，以获得环形麦克风的输出。

操作上，麦克风1210和1220捕获高频声波，并将其转换为电脉冲。来自麦克风1210的电脉冲由滤波器1250进行滤波。滤波器1250的输出与来自麦克风1220的电脉冲被高频求和节点1240加在一起，然后由高频均衡器1270均衡。然后，高通滤波器1275去除残留在均衡器1270的输出中的任何低频分量。

同样地，麦克风1210和1230捕获低频声波，并将其转换为电脉冲，来自麦克风1210的电脉冲由滤波器1255进行滤波。滤波器的输出与来自麦克风1230的电脉冲被低频求和节点1245加在一起，由均衡器1260均衡。低通滤波器1265去除任何残留的高频分量。然后，低通滤波器1265的输出和高通滤波器1275的输出通过求和节点1280加在一起，以产生总体的环形麦克风输出。

因此，图12的环形麦克风一起使用麦克风1210和1220(它们间隔较近)来捕获高频声波，并且一起使用麦克风1210和1230(它们间隔较远)来捕获低频声波。换言之，H_LP和H_HP分别是低通滤波器和高通滤波器。对于系统的低频路径，H₁₁和H_EQ1对应之前描述的根据第一示例性实施例的单路系统中的滤波器H₁和H_EQ，但是k＝2k。对于系统的高频路径，H₁₂和H_EQ2对应之前描述的根据第一示例性实施例的单路系统中的滤波器H₁和H_EQ。这种双路系统实现了高频环形灵敏度图和低频环形灵敏度图，从而去除系统噪声而不使麦克风灵敏度失真。对本领域技术人员显而易见的是，图12的双路系统可以扩展为三路系统、四路系统或者甚至n路系统，其中n是任意正整数。此外，可以组合任何上述降低系统噪声的技术，以进一步优化环形麦克风的性能。此外，图12的双路系统可以实现为之前描述的根据本发明的第二示例性实施例的滤波器设计。

对于低频，滤波器H_EQ(k)的增益增加。由于麦克风元件自身的噪声，这可能会导致低频噪声问题。对于差动式麦克风设计，这是不可避免的，因此这并不是针对本设计的特有挑战。事实上，因为使用了较少的麦克风元件，所以较少的麦克风元件给出了总体噪声。

尽管参照全向麦克风元件作出了上述讨论，但是在不脱离本发明的精神的情况下，也可以使用其他各种类型的麦克风元件。例如，可以使用驻极体麦克风、光学麦克风和/或MEMS麦克风。因为可以使用装配在同一硅晶圆或者同一小硅片上的麦克风元件，MEMS麦克风具有允许更优的麦克风匹配的优点。根据本发明，麦克风元件的匹配对最小化麦克风自身的噪声很重要。当然，滤波器响应和均衡器响应(H_EQ)可能必须进行相应的修改。此外，具有光学读出装置的麦克风自身的噪声的数量级预期小于被广泛使用的驻极体麦克风。

低频方向性图的降质是可以接受的，例如，在低频处，仅利用直接置于桌子处的麦克风，以降低噪声挑战。

如本发明人所认识到的，本文描述的环形麦克风与方位角无关，使其更适合其中多个说话人和/或移动的声源在多个方向上要求良好灵敏度的视频电话会议设置。此外，对于麦克风上方的音频源，该环形麦克风具有几乎为零的灵敏度。此外，可以通过改变常量β₂来调节根据本发明的第二实施例的环形麦克风的方向性图，从而适应放置麦克风的房间。通过更改β₂，可以设置麦克风的“盲点”(灵敏度接近于0的角度θ)，以使其与来自噪声源(例如，天花板上的风扇等)的音频声音的入射角度相重合。因此，显著地降低了噪声干扰，并且由于环形麦克风是定向麦克风，其固有地限制了混响声。

此外，本发明仅使用了两个麦克风元件来创建具有环形方向性图的麦克风，降低了成本(既降低了材料成本，又降低了校准成本)，并且减少了相位匹配和麦克风元件匹配的实现问题。

显然，根据上面的技术可以对本发明做出许多修改和变化。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，还可以用除本文所具体描述的方式之外的方式来实现本发明。

Claims (13)

1.一种环形麦克风，包括：

第一麦克风元件组件，其包括邻接支撑面布置的第一麦克风元件以及连接于所述第一麦克风元件的第一滤波器，所述第一滤波器具有第一频率响应H₁'(k)，

H₁'(k)＝1；

第二麦克风元件组件，其包括所述第一麦克风元件和连接到所述第一麦克风元件的第二滤波器，所述第二滤波器具有响应H₁″(k)，

${H_1}^{\′\′}\left(k\right)={\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left({\mathrm{kd}}_2\right)}^2};$

第三麦克风元件组件，其包括在距所述支撑面预定距离d₂处布置的第二麦克风元件和连接到所述第二麦克风元件的第三滤波器，所述第三滤波器具有响应H₂(k)，

$H_2\left(k\right)={\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left({\mathrm{kd}}_2\right)}^2},$

其中，并且ω是角频率，c是空气中的声速，且β₂是常量；

加法器组件，其被配置为通过将所述第一麦克风组件和所述第三麦克风组件的输出相加并减去所述第二麦克风组件的输出以组合所述第一麦克风组件、所述第二麦克风组件和所述第三麦克风组件的输出；

其中，所述第一滤波器、所述第二滤波器和所述第三滤波器的组合为所述环形麦克风产生环形方向性图。

2.根据权利要求1所述的环形麦克风，其中所述环形方向性图在仰角(θ₁)处具有最小灵敏度，所述仰角(θ₁)取决于β₂的选择，其中β₂≥1。

3.根据权利要求1所述的环形麦克风，其中所述预定距离d₂不大于与所述环形麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

4.根据权利要求1所述的环形麦克风，其中所述第一麦克风元件和所述第二麦克风元件是全向麦克风。

5.根据权利要求1所述的环形麦克风，其中所述第一滤波器、所述第二滤波器和所述第三滤波器中的每一个都是数字滤波器。

6.根据权利要求1所述的环形麦克风，其中所述第二滤波器和所述第三滤波器中的每一个都是放大器。

7.一种创建环形方向性图的方法，通过下述步骤来实现：

将来自位于支撑面的第一麦克风的音频波转换为相应的第一音频数据；

将来自位于距所述支撑面预定距离d₂处的第二麦克风的音频波转换为相应的第二音频数据；

根据第一频率响应(H₁'(k))对所述第一音频数据进行过滤，H₁'(k)＝1；

根据第二频率响应(H₁″(k))对所述第一音频数据进行过滤， ${H_1}^{\′\′}\left(k\right)={\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left({\mathrm{kd}}_2\right)}^2};$

根据第三频率响应(H₂(k))对所述第二音频数据进行过滤， $H_2\left(k\right)=$ ${\mathrm{\β}}_2\frac{2}{{\left({\mathrm{kd}}_2\right)}^2},$

其中，并且ω是角频率，c是空气中的声速，且β₂是常量；

通过将经过滤波的第一音频数据和经过滤波的第三音频数据相加并减去经过滤波的第二音频数据以组合所述经过滤波的第一音频数据、经过滤波的第二音频数据和经过滤波的第三音频数据；

其中，H₁'(k)、H₁″(k)和H₂(k)的组合为所述环形麦克风产生环形方向性图。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述环形方向性图在仰角(θ₁)处具有最小灵敏度，所述仰角(θ₁)取决于β₂的选择，其中β₂≥1。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定距离d₂不大于与所述麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

10.一种环形麦克风，包括：

第一麦克风元件组件，其包括邻接支撑面布置的第一麦克风元件以及连接于所述第一麦克风元件的第一滤波器，所述第一滤波器具有第一频率响应H₁(k)，H₁(k)＝-cos(kd₂)；

第二麦克风元件组件，其包括在距所述支撑面预定距离d₂处布置的第二麦克风元件；

加法器，其被配置为将所述第一麦克风组件和所述第二麦克风组件的输出组合为加法器输出；

均衡器，其被配置为响应于所述加法器输出产生均衡的输出，所述均衡器具有频率响应H_EQ(k)，

$H_{\mathrm{EQ}}\left(k\right)=\frac{1}{2[\cos \left({\mathrm{kd}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_0\right)-\cos \left({\mathrm{kd}}_2\right)]}$

其中ω是角频率，c是空气中的声速，并且且θ₀是入射角，

其中，所述第一麦克风组件和所述第二麦克风组件的组合为所述环形麦克风产生环形方向性图。

11.根据权利要求10所述的环形麦克风，其中所述预定距离d₂不大于与所述环形麦克风捕获的最高频率对应的波长的一半。

12.根据权利要求10所述的环形麦克风，其中所述第一麦克风元件和所述第二麦克风元件是全向麦克风。

13.根据权利要求10所述的环形麦克风，其中所述第一滤波器和所述均衡器中的每一个都是数字滤波器。