注意,信号相应在入射信号90°时是6 dB低于入射信号在0°时的值,并且它的最大输出电平在坐标轴零频率为零时。均衡化滤波器通常应用于差分波束形成算法的输出,使频响曲线平缓。

 

空值的频率应该提前经过筛选,这样,就不会干扰测试需求的频率,但是,也不可以值过高,否则,低频就会过渡衰减,超出预期的程度。

 

在单采样延迟(fS = 48khz)和7mm麦克风间距的端射差分阵列中,空值的频率约为24.5 kHz,如果采样延迟为6个采样,麦克风间距为84mm,混叠频率则为4.2 kHz。设计通常要求零频率介于这两个示例之间,这样空值频率就不会低到干扰人类语音带宽的程度,或者高到低频响应被高度衰减的程度。考虑到这些要求,通常选择两个麦克风之间的距离来匹配两个到四个样本之间的延迟。同样,这都是假设fS = 48khz。所有这些计算都与采样率成线性关系。

 

高阶端射阵列

高阶差分阵列波束形成器可以通过在原有两个的的基础上,增加额外的麦克风。这导致更多的声音从后方和侧面的排斥,但当然,为了波束的形成,需要一个更长的物理距离。图13显示了这种二阶(3麦克风)端射波束形成器的示例。一种二阶端射波束形成器可以实现12分贝的侧面衰减,与阵列后方的空值相同,如图14所示。在这里,蓝色的线是一阶(2麦克风)波束形成器的响应,红色的线是二阶波束形成器的响应。

 

 

 

同样的思路可以扩展到更高阶的端射波束形成器,但代价是明显的阵列大小。

 

麦克风匹配

麦克风波束形成器的良好性能要求阵列中不同元件的灵敏度和频率响应必须紧密匹配。这两个参数在不同数组元素之间的差异会导致数组所需响应的分解。空值可能没有那么清晰,数组的方向性可能没有正确的方向。

 

阵列处理对系统噪声的影响

对信噪比的影响取决于阵列的配置和处理,对于不同的阵列拓扑结构,可能会导致系统信噪比的增加或减少。重要的是要选择具有最高信噪比规范的麦克风,以最大限度地提高整个系统的性能。

 

在轴线上,侧面波束形成器的输出类似于简单地将两个相同的信号相加以提高信噪比。在一个宽频和阵列中,来自多个麦克风的自噪声以功率的形式加在一起,导致每增加一倍麦克风数量的噪声增加3分贝。在这种情况下,信号电平在增加6分贝时增加一倍,而噪声在总体电平增加3分贝时不连贯地累加。这使得信噪比提高了3分贝。轴外,此波束形成器的信号输出不平坦,如图5所示。在离轴入射角处,由于信号电平的降低,信噪比从轴上峰值处降低。

 


差分阵列对信噪比的影响更为复杂,本文没有对其进行定量评估。两麦克风差分阵列波束形成器的轴上频率响应为6 dB,波长为两倍于麦克风间距的频率(如图12所示,约4.1 kHz)。在这个频率附近,阵列的信号输出与其噪声之间的差值要高于单个麦克风的差值,但是所有频率之间的信号/噪声关系更难计算。

 

放置多个麦克风

阵列中麦克风声端口之间的线性距离只是构建麦克风阵列时需要考虑的一条路径。虽然MEMS麦克风是非常薄的设备,但是在阵列设计中还是有一些非零高度需要考虑。MEMS麦克风膜片的声中心在声门上方距离不同。在选择麦克风间距时,除了要考虑麦克风所安装的PCB的厚度外,还要考虑这个距离。如果所有麦克风都以相同的方式安装(相同的PCB,相同的声音端口长度),那么这就不是问题。

 

高级的波束形成

本应用说明旨在介绍麦克风波束形成的基本知识,但绝不是对该处理领域的全面概述。使用不同数量的麦克风和不同配置的阵列显然是可能的,信号处理算法的复杂程度可以远远超出本应用程序说明中描述的简单算法。更先进的算法可以用于语音跟踪和波束转向,即使只有少量麦克风。这里涉及的阵列都是线间距的,但更先进的高阶波束形成器可以建立不同的间距之间的每一对麦克风阵列。这种配置会改变不同麦克风之间的空频率和混叠频率以及信噪比,可能会产生噪声更小、可用频率响应更广的阵列。

 

比较

表1给出了垂射阵列和端射阵列的优缺点。