麦克风阵列原理与应用

麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 1 麦克风阵列麦克风阵列麦克风阵列麦克风阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 贺志坚 郑虎鸣 （东莞泉声电子有限公司，广东 东莞 523297） 【【【【摘摘摘摘 要要要要】】】】 本文主要介绍麦克风阵列的基本原理、结构组成及声学效果，简要叙述麦克风阵列在通讯与 PC 设备中的基本应用与市场发展前景 【【【【关键词关键词关键词关键词】】】】指向性；阵列；麦克风阵列；波束 【【【【中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号】】】】 TN643 【【【【文献标示码文献标示码文献标示码文献标示码】】】】 B Theory and Application of Microphone Array HE Zhi-jian ZHENG Hu-ming (Transound Electronics Co., Ltd. Dongguan , Guangdong 523297 ) 【【【【Abstract】】】】This article introduces basic principles,structure and acoustic, electrical performance of Microphone Array. A brief description of the microphone array in the communications equipment and PC basic applications and market prospects 【Key words】directivity; array; microphone array; beam 【CLC】TN643 【Document code 】 B 阵列阵列阵列阵列（（（（ArrayArrayArrayArray））））：数学定义--有限个相同资料形态之元素组成之集合 麦克风阵列具有对远场干扰噪声很强的抑制作用，应用于便携 IT 设备如 PDA、GPS、 NB、手机等在较大噪声环境中使用时表现出较好的效果。小型麦克风阵列由一组麦克风单元 在一个小范围内按照一定空间分布组合而成，由于它在噪声环境下具有良好的信号采集性， 因此越来越受到声学应用领域的关注。 一一一一、、、、 波束的形成波束的形成波束的形成波束的形成 麦克风阵列是指按一定距离排列放置的一组麦克风，通过声波抵达阵列中每个麦克风之 间的微小时差的相互作用，麦克风阵列可以得到比单个的麦克风更好地指向性。在麦克风阵 列的设计中首要的改进是引入了波束成形、阵列指向性与波束宽度的概念。 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 2 通过对所有麦克风信号的综合处理，麦克风阵列可以组合成为所要求的强指向性麦克风， 形成被称为“波束”的指向特性。麦克风阵列的波束可以经由特殊或程序算法软件控制, 使其指向声源方向而加强音频采集效果。 阵列算法处理后的指向性波束形成技术能精确的形成一个锥状窄波束，只接受说话人的 声音同时抑制环境中的噪音与干扰。 可以通过以下两种获得麦克风阵列单元之间相对位置的信息： （1）把一对麦克风同步采集到的信号进行互相关，寻找互相关信号的最大值，得到两信号之 间的延时ττττ ，再乘以声波传播速度 C0 得到相对位置间距 d = C0ττττ 。 （2）测量一对麦克风同步采集信号相位差 ΔφΔφΔφΔφ ，根据频率 f 和声传播速度 C0 得到这 一对麦克风的位置间隔 d = C0ΔφΔφΔφΔφ / (2ππππf ) 。 经过计算及试验验证，相位法分析麦克风相对位置差的精度要比互相关法分析的精度高。[1] 通过算法控制，麦克风阵列在搜索到讲话者的位置之后可以将波束指向当前的讲话者。麦 克风阵列这种极强的智能指向性功能可以显著降低周边环境噪声及回声的影响。[2] 图一图一图一图一 使用单麦克风与采用波束形成技术麦克风阵列接收讲话者声音效果的对比 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 3 二二二二、、、、阵列指向性阵列指向性阵列指向性阵列指向性 由于麦克风阵列的输出信号中包含比单只麦克风更低的噪声和回声成份，所以其固有噪 声抑制能力要远高于单只麦克风。麦克风阵列在 1000Hz的典型指向性波束图型如图二所示。 其指向性图形要远好于任一款价格昂贵的高性能超心形麦克风。 图二 麦克风阵列在 1000Hz的典型指向性波束图型 三三三三、、、、指向性指数指向性指数指向性指数指向性指数 另一个表证波束的参数是指向性指数 指向性指数 D表征的是麦克风阵列主响应轴（波束轴线）到的声源信号与需要屏蔽的各 种噪声与回声信号的比值 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 4 2),(),,( cfBfP =θϕ , const== 0ρρ ∫ ∫ ∫= ⋅ = 2/ 0 0 2 0 ),,(4 1 ),,(SF f TT df fPdd fPD pi pi θϕϕθpi θϕ 1010.logDI D= ),,( θϕfP ： 声源信号之声能. 0ρ . ：与参考点的平均距离 ),( TT θϕ ：与参考声轴的角度 [3] 图三 作为频率函数的麦克风阵列指向性图案，剖面为水平方向 图四 表示出单只单指向麦克风、双麦克风阵列、四麦克风阵列指向性指数的比较图表， 从图中可以看出双麦克风阵列、四麦克风阵列依次较单指向麦克风指向性指数有接近 3dB、 6dB以上的提升改进。 图五 则表示采用麦克风阵列后形成的波束 3D效果 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 5 图四 图五 四四四四、、、、 麦克风阵列的应用麦克风阵列的应用麦克风阵列的应用麦克风阵列的应用 麦克风阵列在声学领域已有多种形式的实用案例，大型麦克风阵列可以组成声波阵列雷 达，在军事上利用声波阵列的定位特性，可以测试出敌方炮兵及导弹发射阵地的精确坐标位 置。此类定位探测设备已经装备英美部队，如 “海罗”声测系统由英国洛克·迈纳研究有限公司 与 BAE系统公司联合研制，主要用于测定战场上火炮和迫击炮的位置以及射弹炸点的位置。 “海罗Mk1”型系统已于 20世纪 90年代中期装备英国皇家炮兵团，“海罗Mk2”型亦将在英军 中服役。 利用麦克风阵列的准确定位特点，还可以组成声波阵列望远镜系统，用来准确检测各种机 械设备的不同区域的噪声分布图，如下图六、图七所示，便是采用高阶麦克风阵列系统进行 汽车噪声源部位及不同部位噪声能量的分析结果。 图六 图七 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 6 而麦克风阵列的大量应用还是在各种 IT设备的音频采集领域，通过麦克风阵列模组的推 广，在很多使用单只全方向或单方向麦克风无法满足的条件下，通过采用麦克风阵列模组可 以较好满足客户在噪声抑制方面的要求。 正确的麦克风阵列几何排列（数量，类型及麦克风的位置）关系到最后的声学效果。为 了保证成功的设计和用户满意度，微软 Vista系统经过大量精细分析和测试的几何排列 可以用于包括通常情况下的办公室和繁忙的场所。双元件麦克风阵列适用于在较安静的办公 场所且讲话者到麦克风的距离不超过 0.6M的条件使用。这种阵列适于作为固定配件内嵌于 笔记本电脑及平板电脑中，使用时应将两个麦克风连线中点指向讲话者。此种麦克风阵列仅 可在水品方向具有＋／－50°的指向波束，如需要求垂直方向的指向性，则应采用单指向麦 克风与全指向麦克风组合阵列。其几何排布如图八、图九所示。[4] 图八 小型双麦克风阵列 图九 大型双麦克风阵列 四元件麦克风阵列适用于在一般的办公场或较嘈杂的环境使用，当讲话者到麦克风的距离达 到 2.0M距离时，仍有很好的录音效果，见图十、图十一 图十 4 风阵麦克 列 图十一 L-形状的 4 风阵麦克 列 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 7 上述麦克风阵列适用于作为外置麦克风阵列或内嵌于笔记本及平板电脑中，在一般噪声 场合使用时可以发挥较好地录音效果。如图十二所示，麦克风阵列的中心点应指向讲话者。 a) 记记记记 电电电电电电电电笔笔笔笔 本本本本 : b)显示器显示器显示器显示器: . C）））） 平板式电脑平板式电脑平板式电脑平板式电脑: d））））笔记本电脑笔记本电脑笔记本电脑笔记本电脑/台式显示器台式显示器台式显示器台式显示器: 图十二 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 8 麦克风阵列的特征麦克风阵列的特征麦克风阵列的特征麦克风阵列的特征参数参数参数参数：：：： 阵列麦克风 元件 类型 NG, dB NGA,dB DI, dB 直线排列, 小间距 2 单指向 -12.7 -6.0 7.4 直线排列，大间距 2 单指向 -12.9 -6.7 7.1 直线排列, 4元件 4 单指向 -13.1 -7.6 10.1 L-形状排列 4元件 4 单指向 -12.9 -7.0 10.2 第二种 4 元件直线排 列 4 综合类 -12.9 -7.3 9.9 [4] 五五五五、、、、麦克风阵列的麦克风阵列的麦克风阵列的麦克风阵列的发展发展发展发展 麦克风阵列技术是近年来兴起的一种新兴技术，而富迪（Fortemedia）开发的小阵列麦克 风（SAM）技术具有独到之处，众多 IT公司均对 SAM 技术表现出极大的兴趣。 SAM 技术为何获得如此多的青睐呢？它有四大功能，这四大功能的集成使得 SAM成为 目前最优秀的语音处理技术。 首先是指向性波束成形。SAM的指向性波束形成技术能精确的形成一个锥状窄波束，只 接收说话人的声音同时抑制环境中的噪音与干扰，可以支持 O+O和 O+U指向，两个MIC 之 间的间距小于 10.5mm，无泄漏，具有灵活的波束角度。 另两个功能是非平稳噪声消除和非线性回音消除。富迪科技的 SAM 技术可以消除 65dB的声学回声和 20dB的非平稳噪音。线性噪音采用传统的方案可以解决，而非线性噪音 只有 SAM 可以解决。非线性回声来自于不规范的音腔设计、机械振动以及过驱动的扬声器 等。 此外，仅有 SAM 能解决的还有防风声功能。SAM 可以消除 25dB 的风声噪声或者支持 在 4.6m/s风速下高质量通话。[5] 图十三 SAM的指向性波束形成技术能精确的形成一个锥状窄波束， 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 9 三种麦克风技术参数对比三种麦克风技术参数对比三种麦克风技术参数对比三种麦克风技术参数对比 SAM（迷你阵列麦克风） 宽距阵列麦克风 传统麦克风 音束 锥形 饼状音束 无 噪声处理 零噪声 噪声从上下后方漏入 无 限制及摆放位置 限制少且放置容易 限制多且难放置 放置容易 应用弹性 高 低 高 体积 0～1cm >3cm 小 压制风声 压制 30dB 无 无 非平稳噪声压制 压制 30dB 不定 无 非线性回音处理 消除 35dB 无 无 机械振动处理 有 无 无 回音处理 65dB <50dB <45dB 消耗功率 低 高 低 制造难度 低 高 低 东莞泉声电子有限公司经过与富迪公司的三年紧密合作，2008 年在数字麦克风及麦克风 阵列新产品的推广方面取得长足的发展，其数字麦克风与阵列麦克风的产能已达 5KK/月，在 某著名品牌上网本的配套中超过八成的占有率，从而成为国内最大的数字麦克风与阵列麦克 风生产基地。图十四为部分麦克风阵列产品与应用实例。 图十四 麦克风麦克风麦克风麦克风阵列阵列阵列阵列原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2002002002009999 年年年年 11111111 月号月号月号月号 www.transsound.com 10 • 下一代使用模拟多通道音频接口的 pc高保真音频（HD）一体设计中，直接把麦克风阵列 连接到主板的 HD音频接口是一个低成本的解决方案，麦克风阵列与 HD音频相结合成为 一个装置必将会有很好的应用前景。这一方案更适合于整体式麦克风阵列，但是如果 有多路模拟输入接口可用的话，则外接麦克风阵列也将可用于要求带 HD音频功能的计算 机。[6] 由于新一代 HD音频芯片均已趋向于设计有数字麦克风输入接口的结构，所以在麦克风阵 列的应用中将会逐步以数字麦克风为主要对象。 与模拟麦克风相比，数字麦克风可以提供更好的信噪比以及更好抗 RF和 EMI干扰能力。 在传统的驻极体电容组件之后，跟随一个特殊设计的模拟数字转换器电路，将在给定的采样 速率输出条件下直接向新总线提供音频数据。数字麦克风的数据可以更加直接由 PC 或手机 CPU软件控制，以提供多种语音处理功能。另外数字麦克风可以很容易地附于总线中，以实 现立体声录音，或作为麦克风阵列的一部分实现噪声抑制或波束定向成形技术，以增强转换 收听端的语音智能。 由于数字麦克风大部分应用于立体声或阵列模块的模式，所以在数麦内置模数转换芯片 ADC中一般均设计有左右输出信号选择端 L/R。可以由用户自由选择。[7] 有必要指出的是微软新一代 Vistar 操作系统已经集合了支持普通麦克风阵列与数字麦克 风阵列的软件功能，只要采用上述微软推荐的麦克风阵列结构，便可以获得 Vistar 操作系统 的全面支持。 【参考文献参考文献参考文献参考文献】】】】 【【【【1】】】】杨鑫峰，彭柯，卢晶，徐伯龄.小型差分传声器阵列的位置校准. 电声技术，2005（5）：19-22. 【【【【2】】】】Marcie. Weinstein . Low-noise microphone array will be integrated into notebook computers 【【【【3】】】】 I. Tashev. Gain Self-Calibration Procedure for Microphone Arrays. Proceedings of ICME, Taipei, Taiwan, July 2004. 【【【【4】】】】Microphone Array Support in Windows Vista 【【【【5】】】】Impact World on small array microphone. Electronics Supply & Manufacturing-China 【【【【6】】】】 I. Tashev, H. Malvar. A New Beamformer Design Algorithm for Microphone Arrays. Proceedings of ICASSP, Philadelphia, PA, USA, March 2005. 【【【【7】】】】贺志坚，郑虎鸣. 数字麦克风原理与应用 .电声技术 2008，（10）：14-17. 作者简介作者简介作者简介作者简介：：：： 贺志坚：男 高级工程师，北京大学毕业，主要研发方向为数字传声器与MEMS 传 声器，现任东莞泉声电子有限公司总工程师 郑虎鸣：男 高级工程师，西安电子科技大学毕业，主要研发方向为新型驻极体传声 器及驻极材料应用，现任东莞泉声电子有限公司副总经理