具有改善的方向特性的麦克风设备

摘要

提出了一种具有改进的方向特性的麦克风设备。麦克风设备具有至少两个麦克风（100，102）和信号处理设备（105）。信号处理设备（105）具有第一（108）和第二输入（109），用于接收至少两个麦克风的麦克风信号。输入（108，109）耦合到第一（110）和第二（111）乘法电路的信号输入。乘法电路具有控制输入和信号输出，控制输入用于接收相应的第一和第二控制信号。控制信号生成器（112）被提供用于生成用于乘法电路（110，111）的第一和第二控制信号。提供用于功率校正求和的设备（114），具有第一和第二输入并且具有输出，第一和第二输入分别耦合到第一和第二乘法电路的输出。信号组合电路（116）具有第一输入（117）、第二输入（118）和输出（119），第一输入耦合到功率校正求和设备（114）的输出，第二输入耦合到至少两个麦克风（102）中的一个，输出耦合到组合电路（116）的输出（120）。第一乘法电路（110）被适配为：在第一控制信号的影响下，使在其输入处施加的信号乘以乘法因子A*(1-g)

说明书

技术领域

本发明涉及包括至少两个麦克风和信号处理设备的麦克风设备，该信号处理设备用于从至少两个麦克风的麦克风信号得到虚拟麦克风信号。本发明还涉及该信号处理设备。从公布的美国专利申请US2004/0076301得知如权利要求1的前序部分中所限定的麦克风设备。已知的麦克风设备意在以使得能够进行对听众的3D音频回放的方式来实现双耳记录。

发明内容

然而，本发明意在提出一种可以按需要修改其方向特性的麦克风设备。一个目标可以是例如随着增加的频率范围保持方向特性恒定。

为此，本发明的麦克风设备的特征在于权利要求1的特征。本发明的信号处理设备的特征如权利要求18中所规定。

本发明受由若干麦克风构成的现有设备启发，其中该麦克风的信号被组合（麦克风阵列）。它们通常意在增加相对于一个麦克风的方向性。方向性是指放大从期望方向（主方向）记录的声音，而衰减从其他方向记录的声音。在必要时，可能存在若干期望方向。这样的设备的方向性基于声音的行进时间，行进时间造成了个体麦克风信号之间的方向相关的相位差。这些信号的组合通常受到求和（可能被加权）的影响。但是因为相位差也是频率相关的，所以得到的方向性成为频率相关的，这是不利的，因为这导致常规麦克风阵列仅仅以一窄频率范围结束，在该窄频率范围中它们的方向特性最优。在该频率范围之外，方向性较差，这可作为减小的方向性指标测量，并且由下述事实来反映：在主方向之外，频率响应与主方向中是不同的，特别是不平坦的。

本发明介绍了一种技术，通过该技术，根据麦克风信号初始生成虚拟麦克风信号，并且然后混合该虚拟麦克风信号。如果虚构麦克风位于实际麦克风位置之外，则虚拟麦克风信号对应于这样的信号：该信号如同来自虚构麦克风。根据实际麦克风位置外推或内插虚拟位置。以该方式，实现了如同麦克风阵列正在变小（内插时）或正在变大（外推时）的效果。位置的内插或外推对应于麦克风信号的内插或外推，并且因此是可控制的。根据本发明，当生成虚拟麦克风信号时，根据频率来控制内插或外推，以使该虚拟位置与频率相关的。结果，麦克风阵列的方向性的频率相关性也可以按需要被修改，并且在增加的频率范围上，可以例如按照使得方向特性保持大部分恒定的方式来优化方向特性。

附图说明

现在将通过一些示例性实施例参考附图来描述本发明，在附图中，

图1示出了根据本发明的麦克风设备的第一实施例，

图2a、图2b和图2c示出了指示图1的麦克风设备中的作为频率f的函数的乘法因子g[f]的表现的三条曲线，

图3a和图3b示出了图1的已知麦克风设备的一些方向特性，

图4示出了根据本发明的麦克风设备的第二实施例，

图5a、图5b和图5c示出了指示图4的麦克风设备中的作为频率f的函数的乘法因子g[f]的表现的三条曲线，

图6a和图6b示出了已知麦克风设备和图4的麦克风设备的一些方向特性，

图7示出了根据本发明的麦克风设备的第三实施例，

图8示出了根据图7的麦克风设备的麦克风的位置，

图9示出了根据本发明的麦克风设备的第四实施例，以及

图10示出了根据图9的麦克风设备的麦克风的位置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的麦克风设备的第一实施例。麦克风设备具备两个麦克风100、102以及信号处理设备105，信号处理设备105用于从两个麦克风100和102的麦克风信号得到虚拟麦克风信号。信号处理设备105具有第一和第二输入108和109，用于分别接收两个麦克风100和102的麦克风信号。第一和第二乘法电路110、111具有信号输入、控制输入和信号输出，信号输入分别与信号处理设备的第一和第二输入108、109耦合，控制输入用于分别接收相应的第一和第二控制信号。信号处理设备105还包括用于生成第一和第二控制信号的控制信号生成器112。用于功率校正求和的设备114具有第一和第二输入以及输出，该第一和第二输入分别与第一和第二乘法电路110、111的输出耦合。设备114针对在其第一和第二输入处提供的信号的功率校正求和被配置，并且被配置用于向输出提供功率校正求和的整体信号。

如这里理解的，从文献中得知功率校正求和设备。在这方面，应当参考WO2011/057922A1以及同一申请人的在先提交但尚未公布的PCT/EP2012/069799，具体地参考图2、图6和图7的描述，因此认为它们通过引用合并于此。

信号组合设备116具有第一输入117、第二输入118和输出119，第一输入117与功率校正求和设备114的输出耦合，第二输入118与至少两个麦克风中的一个（在该情况下为麦克风102）耦合，输出119与信号组合设备116的输出120耦合。

第一乘法电路110被配置为：在控制信号生成器112的第一控制信号的影响下，使在其输入处的信号乘以乘法因子A · (1-g)^1/2。第二乘法电路111被配置为：在控制信号生成器112的第二控制信号的影响下，使在其输入处的信号乘以乘法因子B · g^1/2。根据本发明，g是频率相关的，并且由此指示为g[f]，并且A和B是恒定值，其绝对值优选地等于1。此外，A=B或A=-B适用。

图2a示出了乘法因子g[f]的频率相关表现可能看上去的情况。在该实施例中，A=-B适用。

在图2a中，在第一频率值f₀和第二频率值f₀之间的乘法因子g[f]示出了随着频率的增加而不断减小的值f₂。在频率值f₂以下，g[f]是恒定值V，优选地等于1。在第一频率值f₀以上，g[f]进而是恒定的，优选地等于零。在f₂和f₀之间的频率范围中，g[f]随着频率增加而连续减小。

现在将参考图3a来具体解释在图2a中所示的g[f]的表现的情况下图1中所示的麦克风设备的操作的模式。图3a示出了如图1中所示的具有两个麦克风的麦克风设备的方向特性，两个麦克风以彼此相距距离D被布置，并且它们的输出信号被直接相加在一起。对于低频率，方向特性如由311所示，即球形。为了增加频率，方向特性如由方向特性312、313和314所指示的那样进行改变。这里，假定方向特性313是期望的方向特性，因为麦克风设备的方向性处于其最高处。方向性被定义为主方向上的灵敏度与所有方向上的麦克风设备的平均灵敏度的比率。球形特性311对于来自主方向之外的方向的声音过于敏感，并且这也适用于方向特性314。最佳方向特性发生所处的频率f₀取决于距离D，如下：

f_o = C / (2 · D)

其中C是声速。

本发明的目的是针对增加的频率范围保持该最佳方向特性313恒定。这是通过以下方式实现的：电路部分110、111和114中的信号处理在设备114的输出处产生虚拟麦克风Mv的虚拟麦克风信号，该麦克风位于两个麦克风100和102之间（由此麦克风信号的内插由电路部分110、111和114来执行）或者位于两个麦克风100和102外侧（由此麦克风信号的外推由电路部分110、111和114来执行）。结果，虚拟麦克风的虚拟麦克风信号（存在于设备114的输出处）和麦克风102的麦克风信号在信号组合设备116中被组合，以用于在输出120处得到输出信号。虚拟麦克风和麦克风102之间的距离对于内插小于麦克风100和102之间的距离，并且对于外推大于麦克风100和102之间的距离。

在A=-B的情况下在信号处理装置105中实现外推。例如，A可以等于1。如果我们这样假设，则这对于信号处理设备105意味着乘法电路111中的乘法因子等于-g^1/2，并且乘法电路110中的乘法因子等于(1-g)^1/2。外推意味着在虚拟麦克风Mv和麦克风102之间的距离D_EXT大于D，并且因此最佳方向特性发生所处的频率低于f₀，例如，在f₁处发生，如图3a中的方向特性316所指示的。如图2a中所指示的，因为g[f]的频率相关性，这意味着，该最佳方向特性被基本上保持在f0和f2之间的频率范围中，如由图3a中的频率特性313和316所指示的。因为g[f]在f₀以上是恒定的，优选地等于零，所以对于f₀以上的频率，麦克风设备的方向特性保持不变。

对于f <f₂，g无法增加超过值1，因为g=1是可以针对其计算(1-g)^1/2的最大可能值。

应当指出，在以上描述中，取决于频率的D_EXT和g[f]之间的相关性如下：

针对f₂< f < f₀，D_EXT(f) / D ≈ 1 + g[f]

此外，

f₀ / f ≈ D_EXT(f) / D

适用。

在A=B情况下在信号处理设备105中实现内插，其中，乘法因子g[f] 表现为频率的函数，如在图2b所示的。对于f₀以下的频率，g[f]等于常数，优选地等于零。对于f₀以上的频率，乘法因子g[f]的值随着频率增加而增加。优选地，在f₀以上，乘法因子g[f]的值随着频率的增加而连续增加。

现在将参考图3b来描述内插。为简单起见，假定A=B=1。这意味着，在图1中的信号处理装置105中，乘法电路111中的乘法因子是g^1/2，并且乘法电路110中的乘法因子是(1-g)^1/2。对于内插，虚拟麦克风Mv与麦克风102之间的距离小于D，并且因此，最佳方向特性发生所处的频率在f₀以上（例如，在f3处），如图3b中由方向特性317所指示的。由于g[f]的频率相关性，如图2b中所示，这意味着，该最佳方向特性现在基本上被保持在f₀以上的频率范围中，如由图3b中的频率特性313和317所指示的。

应当指出，在以上描述中，取决于频率的D_INT和g[f]之间的相关性如下：

对于f ≥ f₀，D_INT(f) / D ≈ 1 - g[f]

此外，

f₀ / f ≈ D_INT(f) / D

适用。

因此，由于根据图1的麦克风设备，取决于A和B的值，针对其保持最佳方向特性的频率范围的放大可能仅朝向低频率，或者仅朝向较高频率。在第一种情况下A=-B，并且优选地：A=1并且B=-1。在第二种情况下A=B，并且优选地A=B=1。

图2c示出了作为f的函数的乘法因子g[f]的表现，其针对f₀以下的频率与图2a中的乘法因子的表现相同，并且针对f₀以上的频率与图2b中的乘法因子的表现相同。以该方式，外推和内插被组合，这意味着图1中的麦克风设备具有方向特性，该方向特性在f1和f3之间的频率范围中具有基本上最佳的方向特性，如由图3a和3b中的313、316和317所指示的。

图4示出了根据本发明的麦克风设备的第二示例性实施例。

根据图4的麦克风设备示出了与图1的麦克风设备的很大的相似度。在图4中指定为410、411、412、414和416的信号处理设备405中的电路部分类似于图1中的信号处理设备105的电路部分110、111、112、114、116。图4中的信号处理设备405进一步具有第三和第四乘法电路421、422。第三和第四乘法电路421和422具有信号输入、控制输入和信号输出，信号输入与信号处理设备405的第一或第二输入408或409耦合，控制输入用于接收相应的第一或第二控制信号。

用于功率校正求和的设备423具有第一和第二输入以及输出，第一和第二输入与第三或第四乘法电路421、422的输出耦合。设备423针对在其第一和第二输入处提供的信号的功率校正求和进行配置，并且被配置用于在与信号组合设备416的第二输入418耦合的输出处提供功率校正求和的整体信号。

第三乘法电路421被配置用于：在第二控制信号的影响下，使在其输入处的信号乘以乘法因子B · g^1/2。第四乘法电路422被配置用于：在第一控制信号的影响下，使在其输入处的信号乘以乘法因子A · (1-g)^1/2。两个控制信号都是由控制信号生成器412生成的。完全如已经参考图1提及的，根据本发明，g是频率相关的，并且A和B是恒定值，其绝对值优选地等于1。此外，A=B或A=-B适用。

设备423优选地与设备414相同。

图5示出了乘法因子g[f]的频率相关表现可能看上去的情况。在该情况下，A=-B。

图5a中的乘法因子g[f]示出了针对第一频率值f₀和第二频率值f₁₂之间不断增加的频率而减小的频率值。在频率值f₁₂以下，g[f]是恒定值V，优选地等于1。在第一频率值f₀以上，g[f]再次是常数，优选地等于零。在f₁₂和f₀之间的频率范围中，g[f]随着频率增加而连续减小。

现在将参考图6a来详细解释图5a中所示的具有g[f]的表现的图4的麦克风设备的操作的模式。图6a示出了具有两个麦克风的麦克风设备的方向特性，如图4中所示，这两个麦克风以彼此相距的距离D被布置并且其输出信号被直接相加在一起。

对于低频率，如利用611所指示的方向特性再次是球形。对于不断增加的频率，方向特性如已经参考图3a描述的那样改变，并且如由方向特性612、613和614所指示的那样改变。出于结合图3a已经解释的相同的理由，方向特性613再次被假定为是期望的方向特性。最佳方向特性发生所处的频率f₀由下式给出

f₀ = C / (2 · D)

其中C是声速。

本发明的目的是使最佳方向特性613对于增加的频率范围保持基本上恒定。这被如下实现。如已经参考图3a和图3b解释的，电路部分410、411和414中的信号处理在设备414的输出处产生虚拟麦克风的虚拟麦克风信号，该麦克风位于两个麦克风408和409之间（由此通过电路部分410、411和414来执行麦克风信号的内插）或者位于两个麦克风408和409外侧（由此通过电路部分410、411和414来执行麦克风信号的外推）。

当然，这完全适用于电路部分421、422和423中的信号处理。这意味着，还在设备423的输出处生成虚拟麦克风的麦克风信号。

对于情况A=-B，实现图4的麦克风设备中的外推。例如，A可以等于1。那么在设备414的输出处，存在虚拟麦克风M_v1的麦克风信号，并且那么在设备423的输出处，存在虚拟麦克风M_V2的麦克风信号。两个虚拟麦克风的位置都在图6a中示出。在该情况下，外推意味着两个虚拟麦克风M_V1和M_V2之间的距离D_EXT2不仅大于d，而且也大于图3a中的D_EXT。

因此，在图6a中，在其处基本上保持期望的方向特性的频率范围可以被扩大到甚至更低的频率，即在f₀和f₁₂之间的频率范围中。因为g[f]在f₀以上是恒定的，优选地等于零，所以对于f₀以上的频率，麦克风设备的方向特性保持不变。

针对f <f₁₂，对于不断减小的频率，g无法增加超过值1，因为g=1是可以针对其计算(1-g)^1/2的最大可能值。

应当指出，在上面的描述中，取决于频率的D_EXT和g[f]之间的相关性如下：

对于f₁₂< f < f₀，D_EXT(f) / D ≈ 1/2 + g[f]

此外，

f₀ / f ≈ D_EXT(f) / D

适用。

针对情况A=B实现图4的麦克风设备中的内插，其中，乘法因子g[f]作为图5b中所指示的频率的函数进行表现。对于f₀以下的频率，g[f]等于常数，优选地等于零。对于f₀以上的频率，乘法因子g[f]的值随着频率增加而增加。优选地，在f₀以上，乘法因子g[f] 的值随着频率增加而连续增加。

现在将参考图6b描述内插。为简单起见，假定A=B=1。

虚拟麦克风M_V1的麦克风信号然后存在于设备414的输出处，并且虚拟麦克风M_V2的麦克风信号然后存在于设备423的输出处。在图6b中示出了两个虚拟麦克风的位置。在该情况下，内插意味着这两个虚拟麦克风M_V1和M_V2之间的距离D_INT2不仅小于D，而且也小于图3b中的D_INT。

因此，在其处基本上保持期望的方向特性的频率范围可以扩大到更高的频率，即在图6b中f₀以上的频率范围中。因为g[f]对于f₀以下的频率保持恒定，优选地等于零，所以对于f₀以下的频率，麦克风设备的方向特性保持不变。

应当指出，在上面的描述中，取决于频率的D_INT和g[f]之间的相关性如下：

对于f ≥ f₀，D_INT(f) / D ≈ 1/2 - g[f]

此外，

f₀ / f ≈ D_INT(f) / D

适用。

图6c示出了作为f的函数的乘法因子g[f]的表现，其对于f₁₀以下的频率与图6a中的乘法因子的表现相同，并且对于f₁₀以上的频率与图6b中的乘法因子的表现相同。以该方式组合外推和内插，这意味着，图4中的麦克风设备具有如下方向特性：该方向特性在f₄（参见图6a）和f₅（参见图6b）之间的频率范围中具有基本上最佳的方向特性，如图6a和图6b中的613、616和617所指示的。

此外，应当提到，如图2a、图2b、图2c、图5a、图5b和图5c中所示的作为频率的函数的乘法因子g[f]的进展的上升和下降部分如双曲线的各部分一样表现。这遵循上述公式中的与频率的反比例。

图7示出了根据本发明的麦克风设备的第三示例性实施例。在该情况下，麦克风设备包括三个麦克风700、702和703。信号处理设备705现在构建如下：在图7中由710、711、712、714和716所指示的信号处理设备705中的各电路部分分别类似于图1中的信号处理设备105的电路部分110和111和112和114和116。第三麦克风403与信号处理设备705的第三输入707耦合。信号处理设备705进一步具有第三和第四乘法电路721和722。乘法电路721和722的信号输入分别与信号处理设备705的第二输入709和第三输入707耦合。乘法电路721和722的控制输入分别与用于接收相应的第一和第二控制信号的控制信号生成器712耦合。两个乘法电路721和722的信号输出与用于功率校正求和的设备723的关联输入耦合。设备723的一个输出与信号组合设备716的第三输入715耦合。设备723被配置用于对在其第一和第二输入处提供的信号进行功率校正求和，并且用于在输出处提供功率校正求和的整体信号。第三乘法电路721被配置用于：在第二控制信号的影响下，使其输入处的信号乘以乘法因子B x g^1/2。第四乘法电路722被配置用于：在第一控制信号的影响下，使其输入处的信号乘以乘法因子A x (1-g)^1/2。

两个控制信号都由控制信号生成器712来生成。正如已经参考图1指出的，根据本发明，乘法因子g是频率相关的，并且A和B是绝对值优选地等于1的恒定值。此外：A=B或A=-B。图7的实施例中的乘法因子g[f]的频率相关表现再次如参考图2a至图2c已经描述的那样。

设备723优选地与设备714相同。

三个麦克风700、702和703不必必需位于直线上。图8示出了三个麦克风700、702和703的位置，三个麦克风在该情况下位于交叉线上。在图7的实施例中，再次生成两个虚拟麦克风信号。第一虚拟麦克风信号存在于信号组合设备716的输入717处，并且是从麦克风700和702的麦克风信号得到的。第二虚拟麦克风信号存在于信号组合设备716的输入715处，并且是从麦克风702和703的麦克风信号得到的。

假定在图7的麦克风设备中执行用于获得两个虚拟麦克风信号的外推。这具有如同已经实现了两个虚拟麦克风的效果。具体地讲，如同麦克风700不再位于图8中所示的位置处，而是进一步远离通过两个麦克风700和702的连接线800上的麦克风702，例如位置804处。类似地，看起来好像麦克风703没有位于所指示的位置处，而是进一步远离通过两个麦克风702和703的连接线802上的麦克风702，例如位置806处。麦克风702的位置没有改变。由于针对两个虚拟麦克风信号的该其他位置，当然产生了现在可以按需要修改的麦克风设备的另一方向特性。

在图9中示出具有三个麦克风的麦克风设备的又另一实施例。在可以如图1或图4中所示的那样构建的电路部分905中处理两个麦克风900和902的麦克风信号，以便于在输出920处获得输出信号S₁。然后，输出信号S₁和麦克风903的麦克风信号被一起带到电路部分910中，以便获得麦克风设备的输出信号S₂。电路部分910可以再次看起来像图1中示出的电路部分105（并且如在图9确实可以看见的）或者像图4中所示的电路部分405一样。

虚拟麦克风的位置如图10中所示的那样出现。在该情况下，现在对麦克风900和902的麦克风信号执行第一外推，由此在图9中的输出920处得到位置1004处的第一虚拟麦克风的虚拟麦克风信号S₁。此后，对位置1004处的第一虚拟麦克风和麦克风903的麦克风信号执行第二外推，这在位置1007处产生虚拟麦克风的第二虚拟麦克风信号，由此在图9中的线930上存在第二虚拟麦克风信号。因此，麦克风设备的输出处的输出信号S2是两个第一和第二虚拟麦克风信号的组合。

总之，应该指出，本发明不限于在附图的描述中示出示例性实施例。照此的各种修改（但全都落入本发明的范围内）都是可能的。照此的麦克风设备可以由多于三个麦克风组成。麦克风不必必需位于直线上。