用于有效记录3D声场的圆柱形麦克风阵列制造技术

提供了用于使用在不同高度处具有多个圆形阵列的垂直定向的圆柱形阵列来记录三维(3D)声场的方法、系统、和装置。所述圆柱形阵列的设计非常适用于提供高方位角分辨率和降低的高程分辨率，并且提供优于现有3D声音再现系统的改进性能。与对于所有尺寸具有相同孔径的球形阵列相反，所述方法、系统和装置提供比水平孔径更大的垂直孔径，并且进一步提供混合阶球形分解的替代形式。提供了用于记录三维声场的装置，所述装置包括：圆柱形挡板(320)；以及多个线阵列(330)，所述多个线阵列分布在所述圆柱形挡板(320)的圆周周围，每个线阵列(330)包括在所述圆柱形挡板的纵向方向上彼此间隔开(z)的麦克风元件，其中所述线阵列(330)中的每个产生垂直波束形成器响应集合，所述响应集合在指定到达方向和指定高程具有最大响应。还提供了用于记录三维声场的方法，所述方法包括：在圆柱形音频记录设备(300)的多个垂直波束形成器处接收以指定仰角到达的平面波；以及基于以所述指定仰角到达的所述平面波的方位角分解来生成所述仰角的圆柱形系数。

Cylindrical microphone array for effective recording of 3D sound field

A method, system, and apparatus for recording three-dimensional (3D) sound fields using a vertically oriented cylindrical array having multiple circular arrays at different heights are provided. The cylindrical array is well designed to provide high azimuth resolution and low elevation resolution, and to provide improved performance superior to existing 3D sound reproduction systems. Contrary to all spherical arrays of the same aperture size, the method, system and apparatus provide a larger vertical aperture than a horizontal aperture, and further provide an alternative form of mixed-order spherical decomposition. A device for recording a three-dimensional sound field is provided, comprising a cylindrical baffle (320) and a plurality of line arrays (330) distributed around the circumference of the cylindrical baffle (320), each line array (330) comprising microphone elements spaced from each other (z) in the longitudinal direction of the cylindrical baffle. Each of the line arrays (330) generates a set of vertical beamformer responses that have the maximum response at a specified direction of arrival and at a specified elevation. A method for recording a three-dimensional sound field is also provided, including receiving a plane wave arriving at a specified elevation at a plurality of vertical beamformer of a cylindrical audio recording device (300) and generating a cylindrical coefficient of the elevation based on the azimuth resolution of the plane wave arriving at the specified elevation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于有效记录3D声场的圆柱形麦克风阵列相关申请的交叉引用本申请是2016年4月8日提交的美国申请第15/094,772号的继续申请并且要求其优先权，其公开内容通过引用的方式全部并入本文。
技术介绍
在较高的水平上，可以使用不同的坐标系来描述声音。例如，可以使用笛卡尔坐标系(例如，x、y、和z坐标)，或者球坐标系(例如，两个角、与垂直轴的一个角、和旋转x角以及半径)。还存在圆柱坐标系，该圆柱坐标系可以被认为是笛卡尔坐标系和球坐标系的组合。针对环绕声的常规方法通常基于球坐标，并且利用球形麦克风来记录声音。然而，收听环绕声的大多数用户不使用球形扬声器系统来再现声音，并且即使他们这样做，这种系统也将需要大量的扬声器以工作得较好而不发生空间混叠。另外，将使用的球形麦克风将需要大量球谐函数(sphericalharmonics)来描述在高程面以及水平面中的声场，其中，扬声器阵列的分辨率足够(应该注意，对于较小的扬声器阵列，只有相应较少数量的球谐函数信号可以与其一起使用)。立体声音频再现允许从两个扬声器之间的任何角创建声音。然而，立体声再现不能产生从两个扬声器相对的角之外到达的声音。环绕声系统旨在通过使得能够创建从收听者周围的所有方向到达的声波来向用户提供更加身临其境的声音体验。二维(2D)系统可以在水平面中生成从超过360度的角到达的声波，并且此外，三维(3D)阵列可以生成从收听者之上的高程到达的声波(并且在特殊用途的再现空间(诸如，消声室)中生成从收听者之下到达的声波)。环绕声再现系统通常由2D或者3D阵列中的L个扬声器组成。例如，通用格式是在收听者周围具有圆形阵列中的L＝5个扬声器。扬声器定位成：中央扬声器在收听者前方，左边的扬声器和右边的扬声器在任意一侧+/-30度，以及一对后置环绕扬声器处于+/-110度。通常，直接在录音室中生成用于扬声器的声音信号，其中，可获得例如，从电子声音设备或者从记录的乐器获得的大量音频“轨道”。使用现有的环绕声再现原理，可以按照与立体声情况相似的方式来以任何角度对声音进行定位，包括扬声器之间的角度。该定位(通常称为“平移”)是针对具有已知几何结构的L个扬声器的环绕系统进行的，而对于给定音频信号轨道，通过对具有L个不同振幅加权的音频轨道进行振幅加权并且将所得到的L个加权音频信号馈送至全部L个扬声器来进行。在一些情况下，可以实施“成对平移”，其中，按照与立体声相似的方式来将音频信号发送至仅两个扬声器以在两个扬声器之间创建源位置。实现该操作的一般方法是基于矢量的振幅平移。还可以对音频信号进行其它修改(诸如，本领域的技术人员所理解的滤波)以改善再现信号的质量。该混合操作的最终结果是通过按照所需几何结构定位的扬声器播放以产生期望的声场的L个扬声器信号的集合。在一些实例中，使用多个麦克风来从现场录音获得平移的音频轨道。例如，可以将麦克风放置在正在播放的每个乐器附近以捕获由该单独乐器产生的音频信号。在其它场景中，可以使用环绕声系统来再现已经使用单个麦克风系统记录的现场录音，该单个麦克风系统试图在单个收听者周围再现空间声场。在这种情况下，录音麦克风必须足够详细地捕获声场的空间属性以允许环绕声再现系统重建声场。经常使用来按照这种方式重建声场的技术是高阶高保真度立体声响复制(HOA)。HOA将使用麦克风系统记录的声场分解为信号集合，该信号集合是从(典型的)球坐标中对声场的描述获得的，并且允许使用任意几何结构和数量的扬声器来再现声场。等效方法是波场合成(WaveFieldSynthesis)，在该波场合成中，声压和空间体积表面上的速度的法向分量允许在该空间体积内再现声场。上述基于物理的方法的替代方法是基于感知的方法，在该基于感知的方法中，仅记录感知上相关的那些空间线索。这种方法包括：例如，狄拉克(Dirac)、双耳线索编码、和在MPEG环绕编码中采用的方法。用于记录声场的麦克风可以具有多个输出，该多个输出中的每个输出表示空间声场的分量。这些分量通常被称为声场的圆柱形模式或者球形模式。最早的现有环绕声麦克风之一产生四个音频输出，该四个音频输出表示声压和声速的三个分量。从处于四面体构造的四个压力盒的紧凑重合阵列获得这些信号。最近，已经使用通常安装在实心或者空心的球形或者圆柱形挡板上的压力麦克风的圆形或者球形阵列构建了高阶环绕声麦克风系统。已经使用了换能器的圆形阵列来确定到达方向。已经将没有圆柱形挡板的定向麦克风的开放式圆形阵列特别应用于声场记录。还证明了定向麦克风的开放式阵列对于声场分解是有用的，主要是因为它们消除或者减少了压力麦克风的开放式阵列发生的响应中的零点。其它方法提出了使用沿z轴间隔开的多个圆形阵列、每个元件本身是能够产生多个定向输出的高阶麦克风的开放式阵列、和安装在球形挡板上的圆形阵列。大多数现有的麦克风阵列使用基于电容或者电感换能原理的传统麦克风元件。最近，已经开发了微机电系统(MEMS)，该微机电系统(MEMS)在硅中实施小型换能器。这些设备通常成本较低并且大小较小，并且通常用于移动电话。已经将MEMS麦克风阵列应用于对阵列的设计以便对声音进行定位。在一些情况下，这些设备具有板上模数转换器，并且产生单比特(SigmaDelta或者脉冲密度调制)输出。在一些情况下，输出是模拟信号的脉冲编码调制(PCM)表示的串行表示。这种设备非常适用于构建大型阵列，在该大型阵列中，输出可以在不需要大量的外部模数转换器的情况下直接接口连接至数字处理器。3D声场的球谐函数分解HOA的标准格式基于对球谐函数的使用。球坐标中在正谐波角频率ω下的声压可以表示为：其中，是第(n,m)归一化复合球谐函数。方程式(1)的替代描述基于声场的平面波扩展。赫格洛茨分布给出了波动方程的一般解：平面波项的扩展是：此外，可以根据球谐函数将平面波振幅函数扩展为：将在方程式(4)和(5)中示出的表达式代入方程式(3)得到平面波扩展：该方程式与方程式(1)相同，其中，因此，可以将如通常在高保真度立体声响复制中使用的平面波系数简单地转换为方程式(1)中的一般系数，反之亦然。在高保真度立体声响复制中，根据从方程式(2)的实部和虚部获得的实际球谐函数来描述方程式(6)中的声场。遵循2D情况下的术语学，可以将复合球谐函数称为“相位模式”，并且可以将实际球谐函数可以被称为“振幅模式”。本领域的技术人员应该理解，平面波扩展(如在方程式(6)中示出的)等效于方程式(1)。进一步地，本领域的技术人员还应该理解，根据实际球谐函数的其它扩展也可以是等效的，并且本文详细呈现的各种结论可以同等地应用于这些其它描述。可以使用例如，实心球形挡板或者定向(例如，面向外的)麦克风的连续分布(通常为心形)来确定方程式(1)中的系数。具有来自方程式(1)的入射场的开球或者刚球的表面上的复合声压具有通用形式：其中，例如，其中，hn(.)是第二种球形汉克尔函数(应该注意，其它阵列将产生其它bn函数)。优选地，通过将pS(a,θ,φ,k)乘以期望的球谐函数并且对球体进行积分来获得声场系数：可以将方程式(1)中的总和限制为给定最大半径r和最大波数k的最大阶其中，表示四舍五入到最接近的整数。在这种情况下，声场的扩展中存在总共(N+1)2个项。每个项与表示时域中的频率相关扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于记录三维声场的装置，所述装置包括：圆柱形挡板；以及多个线阵列，所述多个线阵列分布在所述圆柱形挡板的圆周周围，每个线阵列包括在所述圆柱形挡板的纵向方向上彼此间隔开的麦克风元件，其中所述线阵列中的每个线阵列产生垂直波束形成器响应集合，所述响应集合在指定到达方向和指定高程具有最大响应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.08 US 15/094,7721.一种用于记录三维声场的装置，所述装置包括：圆柱形挡板；以及多个线阵列，所述多个线阵列分布在所述圆柱形挡板的圆周周围，每个线阵列包括在所述圆柱形挡板的纵向方向上彼此间隔开的麦克风元件，其中所述线阵列中的每个线阵列产生垂直波束形成器响应集合，所述响应集合在指定到达方向和指定高程具有最大响应。2.根据权利要求1所述的装置，其中，以方位角处理每个垂直波束形成器响应集合以产生所述声场在所述指定高程处的圆柱形系数。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述圆柱形挡板具有适用于控制衍射效应的至少一个圆形端部。4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：一个或者多个垂直波束形成器，所述一个或者多个垂直波束形成器适用于减小在所述圆柱形挡板的一端或者两端的衍射效应。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个线阵列绕着所述圆柱形挡板的所述圆周定位在规则地间隔开的角处。6.根据权利要求1所述的装置，其中，每个线阵列的麦克风元件在所述圆柱形挡板的所述纵向方向上彼此等间隔地分开。7.根据权利要求1所述的装置，其中，每个线阵列的麦克风元件在所述圆柱形挡板的所述纵向方向上彼此非线性地间隔开，使得相邻麦克风元件之间的距离朝着所述阵列的一端或者两端增加。8.根据权利要求1所述的装置，其中，每个麦克风元件是微机电系统(MEMS)麦克风。9.一种用于记录三维声场的方法，所述方法包括：在圆柱形音频记录设备的多个垂直波束形成器处接收以指定仰角到达的平面波；以及基于以所述指定仰角到达的所述平面波的方位角分解来生成所述仰角的圆柱形系数。10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：生成方位角模式分解；以及向所述方位角模式分解中的每个方位角模式分解应用模式均衡器。11.根据权利要求10所述的方法，其中，应用于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·波莱蒂，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US