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用于多媒体终端的小型传声器阵列

桂林乐城影音    2015/2/9  

在录声过程中,为了克服各种复杂的声干扰,常常采用传声器阵列技术。该技术通过调整参数提高传声器阵列对某个方向声音的灵敏度。为了获得更好的话音质量,越来越多的多媒体终端开始集成传声器阵列。但是受多媒体产品尺寸的限制,只能设计阵元少、间距小的小型传声器阵列,然后通过信号处理技术达到抑制干扰声的目的。


小型传声器阵列

与单个传声器相比,由多个传声器组成的传声器阵列优势在于:

(1)用更多的空间信息换取传声指向性优势;

(2)通过对声场的空间-时间采样进行声场反演。

由于声音在空间中传播是需要时间的,因此,当用多个传声器在不同位置对声场进行同时观测时,不同方位的声源在这些传声器中会产生不同的空间传播关系,即声传输函数。利用这些空间传播关系的差异就可以对某些方向的信号进行增强或抑制,还可以反推声源的方位,甚至还原原来的声场信息。因此,传声器阵列的主要应用包括:

(1)更好的录声——噪声抑制、回声抑制、去混响等;

(2)声源分析——声源方位与数量的分析、声源分离等;

(3)声场分析——声测量与诊断、声全息等。


传声器阵列可分成狭义和广义两类。在狭义阵列中,阵元按照特定的几何形状摆放,阵元特性一致,所有阵元的位置固定且已知;而在广义阵列即多传声器系统中,阵元可任意摆放,阵元也不必一致,甚至阵元的位置也可能是未知的。前者主要是从声场的空间采样角度出发,假定典型的声场模型,如自由场平面波或球面波等,利用传声器与声源之间的几何关系来调整各传声器参数,其着眼点是阵列的拓扑结构。后者主要从各个传声器信号的相关性出发,对信号统计特性进行适当假设,然后对声场和声源的信息进行xx估计,其着眼点是拾取声信号的统计特性。前者通常要求阵元数量较多,阵列呈规则形状,对阵元性能差异和位置差异比较敏感,后者则相对灵活。在小型传声器阵列中往往要根据需要将两类方法相互结合。


小型传声器阵列与其他阵列技术相比有其特殊之处。首先,由于处理对象是可听声,不仅频带范围宽,多径效应(室内混响)突出,而且干扰声和目标声都是非平稳信号,频谱范围重合;另一方面,人耳的灵敏度高、动态范围大,对误差和杂音非常敏感。其次,由于受到应用条件约束,小型传声器阵列的阵元数量和尺寸都非常有限,不仅对传声器器件和阵列工艺有特殊的要求,而且对阵列信号处理技术也提出了更高的要求。


目前在小型传声器阵列中,基于CMOS MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)技术的数字硅传声器具有独特的优势,已经逐步取代传统的驻极体电容式传声器。据IHS分析,2013年全球MEMS数字传声器市场规模将超过模拟传声器,达到31.5亿美元[1],MEMS数字传声器已成为众多半导体厂商竞争的主要方向之一。这种传声器把传声系统、前级放大和模数转换集成到一个芯片中,直接输出数字信号,避免了线路中各种电磁干扰,简化了系统设计。此外,这类传声器功耗低、耐高温、体积小、一致性和稳定性好,非常适用于多媒体终端中的小型传声器阵列。


尽管MEMS数字技术可以在方寸之间集成更多的传声器,例如在100 平方毫米的芯片上集成64个传声器,但其有效孔径仍然较小,因而传统的阵列波束技术能力非常有限,必须结合其他信号处理技术才能得到较好的效果。

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