音頻信號增強的方法和設備的製作方法

2023-10-09 16:51:44

專利名稱：音頻信號增強的方法和設備的製作方法
技術領域：
本申請一般而言涉及音頻信號增強，尤其涉及音頻信號增強的方法和設備。
背景技術：
傳聲器經常應用於在聲場中出現多個音頻源和噪聲的嘈雜環境中。在這種狀況下，音頻信號增強被用於獲得期望的音頻信號。期望音頻信號的高質量增強，產生該期望音頻信號的音頻源的方位的檢測以及噪聲抑制是音頻信號增強的重要問題。


現在參考示例性的、非限定性附圖，並且其中在幾個附圖中相似元件具有相同的編號，因此不必在每個附圖中做相關描述。
圖1是示出音頻信號增強的設備的一個實施例的框圖。
圖2是示出音頻信號增強的方法的一個實施例的流程圖。
圖3示出一階單向或心型單元的角度響應。
圖4示出一階雙向單元的角度響應。
圖5示出全向單元的角度響應。
圖6示出一階單向或心型單元的反向角度響應的數學相加。
圖7示出一階單向或心型單元的反向角度響應的數學相減。
圖8示出將虛擬線性一階單元的角度響應數學相加到虛擬非線性偶次階單元的角度響應以產生合成混合陣列。
圖9示出用於具有兩個旁瓣的雙極n階的合成混合陣列。
圖10示出用於具有三個旁瓣的雙極n階的合成混合陣列。
圖11根據本發明的一個實施例示出具有兩個一階單向物理傳聲器單元的傳聲器陣列。
圖12根據本發明的一個實施例示出具有一個一階單向物理傳聲器單元和一個全向物理傳聲器單元的傳聲器陣列。
圖13根據本發明的一個實施例示出具有四個一階單向物理傳聲器單元的傳聲器陣列。
圖14根據本發明的一個實施例示出具有兩個一階單向物理傳聲器單元和一個全向單元的傳聲器陣列。
圖15根據本發明的一個實施例示出具有六個一階單向物理傳聲器單元的傳聲器陣列。
圖16根據本發明的一個實施例示出具有三個一階單向物理單元和一個全向物理傳聲器單元的傳聲器陣列。
具體實施例方式
這裡公開一種用於音頻信號增強的方法和設備。所述方法和設備利用包括角度分離的物理傳聲器單元的傳聲器陣列，其可以集成到小的便攜的電子設備，例如便攜通信設備。所述方法和設備進一步利用從傳聲器陣列獲得的音頻信號的線性和非線性處理的混合以產生定向音頻信號，該定向音頻信號具有的失真對於在可辨識語音通信中將被有效使用的方法和設備而言是足夠低的。
一個實施例是一種音頻信號增強的方法，其從第一物理傳聲器單元獲得第一音頻信號以及從第二物理傳聲器單元獲得第二音頻信號。所述音頻信號被陣列處理以產生虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元。所述陣列處理包括合併該虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元以產生具有主音頻波束的定向音頻信號。
另一個實施例是一種音頻信號增強的設備。所述設備包括第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元。第一除法器使用換算因數換算來自第一物理傳聲器單元的音頻信號，以及第二除法器使用換算因數換算來自第二物理傳聲器單元的音頻信號。處理器陣列處理已換算的音頻信號以產生虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元，以及合併該虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元以產生包括主音頻波束的定向音頻信號。乘法器使用換算因數乘以該定向音頻信號以保持與輸入至該系統的輸入電平一致的輸出電平。
圖1是根據本發明的一個實施例的用於音頻信號增強的設備100的框圖。該設備100包括第一物理傳聲器單元102和第二物理傳聲器單元104。這裡進一步詳細描述，也可以使用多於兩個的傳聲器單元。來自傳聲器單元102和104的輸出信號被分別地提供給放大器112和114，以校準傳聲器單元102和104的增益。放大器112和114的輸出被分成時間窗口，繼而提供給最大信號檢測器122和124。最大信號檢測器檢測並且保持從放大器112和114輸出的適用於給定時間窗口的最大信號。具有更大振幅的最大信號檢測器在最大信號選擇器130處被選擇。該信號繼而被作為換算因數在除法器132和134中使用以換算來自放大器112和114的輸出信號。該處理對放大器112和114的輸出進行標準化。該標準化的傳聲器信號繼而被陣列處理器140陣列處理。這裡進一步詳細描述該陣列處理。繼而乘法器150使用與除法器132和134中相同的換算因數對陣列處理的結果進行換算。音頻信號增強塊190指示利用時間窗口操作的處理部分。
在本發明的實施例中，分隔物理傳聲器單元102和104的距離少於感興趣的最小波長的半波長。例如，如果該頻率是全波段音頻(20-20000Hz)，則感興趣的最小波長為17.3毫米。如果該頻率是電話音頻(300-3400Hz)，則最小波長為100毫米。
參見圖2，描述出用於每個時間窗口或幀的音頻信號增強的方法的流程圖被示出。第一步，如步驟222描述的，從傳聲器陣列獲得音頻信號，該傳聲器陣列包括兩個或多個物理傳聲器單元102和104。該音頻信號繼而在步驟224中被換算(例如，由除法器132和134)。在步驟226，音頻信號被陣列處理以產生虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元。該虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元被合併。這裡進一步詳細描述該陣列處理。步驟228包括換算該音頻信號，再一次，這時執行和步驟224中執行的操作相反的操作，即使用換算因數乘以該音頻信號(例如，在乘法器150中)。如步驟230中顯示的，結果是具有主波束的定向音頻信號。
步驟222-230的處理可以由處理器執行，例如處理代碼的通用微處理器，數位訊號處理器(DSP)，特定用途集成電路(ASIC)，軟體、硬體和/或固件的組合等。因此，這裡所用的術語處理器意在指具有廣泛的含義包括執行所述方法的各種元件。
該傳聲器陣列包括一階定向單元或包括一階定向單元和全向單元的組合。該一階定向單元是「無因次的(non-dimentional)」。如這裡使用的，術語「無因次」是指物理傳聲器單元，其尺寸與聲音波長相比較小。這通常可以通過在傳聲器的震動膜後徑中引入聲音延遲元件(例如，隔離板或隔離篩)而在單傳聲器炭精盒中實現。一階定向單元的角度響應可以描述為P()並且由等式(1)描述，其中0＜α＜1P()＝α+(1-α)*Cosine()。
(1)圖3圖示出一階定向單元的角度響應322。如這裡使用的，一階定向單元包括一階心型單元，一階非心型單元，和包括至少上述單元之一的組合。
圖4圖示出一階雙向單元的角度響應432。當等式(1)中α的值為0時產生該虛擬一階雙向單元。該角度響應432是在在前向和在後向具有相同最大角度響應的響應。
圖5圖示出全向單元的角度響應542。當等式(1)中α的值為1時產生該虛擬全向單元。該角度響應542是在所有方向具有相同角度響應的響應。
一階定向單元可以用於產生虛擬一階雙向單元和虛擬全向單元。圖6圖示出一階定向物理傳聲器單元的反向角度響應652和654的數學相加以產生虛擬全向單元的角度響應656。圖7圖示出一階定向物理傳聲器單元的反向角度響應752和754的數學相減以產生虛擬一階雙向單元的角度響應756。對非心型單元，必須使用加權相加和相減來產生虛擬一階雙向和虛擬一階全向單元。
虛擬線性一階單元通過將實體或虛擬一階雙向單元和實體或虛擬全向單元線性混合而產生。虛擬非線性偶次階單元通過將實體或虛擬一階雙向單元提高至偶次冪(n)而產生。
參見圖8，在一個實施例中，線性一階單元的角度響應862被數學加至虛擬非線性偶次階單元(n值為2)的角度響應864，以產生包括由角度響應866表示的定向音頻信號的混合合成陣列信號。該定向音頻信號可以具有帶有很低的失真的主波束。
用於具有兩個旁瓣的雙極n階的混合合成陣列(X)用等式(2)描述在等式(2)中，M1表示從第一物理定向傳聲器單元獲得的第一音頻信號，M2表示從第二物理定向傳聲器單元獲得的第二音頻信號。圖9圖示出具有兩個旁瓣的雙極n階的混合合成陣列(X)的取樣角度響應966。
具有三個旁瓣的雙極n階的混合合成陣列(X)用等式(3)描述X=M1+(n22)(M1-M2)+(Cn(n-1)22(n-1))(M1-M2)n2(1+(n2)2+Cn(n-1)2)]]>在等式(3)中，M1表示從第一物理定向傳聲器單元獲得的第一音頻信號，M2表示從第二物理定向傳聲器單元獲得的第二音頻信號。圖10圖示出具有三個旁瓣的雙極n階的混合合成陣列(X)的取樣角度響應1066。
等式2和3假設一階定向單元是心型模型。如果使用非心型物理單元，則不得不相應地調整等式。在這種情況下，M1是實體或虛擬全向單元與實體或虛擬雙向單元的和，該和繼而被除以2。M2是實體或虛擬全向單元和實體或虛擬雙向單元的差，該和繼而被除以2。
如圖11圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1100包括兩個物理傳聲器單元第一物理傳聲器單元1110，其是具有從第一物理傳聲器單元1110獲得的第一音頻信號的角度響應1112的一階定向單元；第二物理傳聲器單元1120，其是具有從第二物理傳聲器單元1120獲得的第二音頻信號的角度響應1122的一階定向單元。該第一物理傳聲器單元1110和第二物理傳聲器單元1120互相具有180度角度分隔，與波束軸1192平行。在該實施例中，第一物理傳聲器單元1110和第二物理傳聲器單元1120實際上在波束軸1192上。主音頻波束沿著波束軸1192定向。
如圖12圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1200包括第一物理傳聲器單元1210，其是具有從第一物理傳聲器單元1210獲得的第一音頻信號的角度響應1212的全向單元；第二物理傳聲器單元，其是具有從第二物理傳聲器單元1220獲得的第二音頻信號的角度響應1222的一階定向單元。該第二物理傳聲器單元1220是與波束軸1292平行定向的。在這個實施例中，第一物理傳聲器單元1210和第二物理傳聲器單元1220實際上是在軸1292上的。主音頻波束是沿著波束軸1292定向的。
如圖13圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1300包括四個物理傳聲器單元第一物理傳聲器單元1310，其是具有從第一物理傳聲器單元1310獲得的第一音頻信號的角度響應1312的一階定向單元；第二物理傳聲器單元1320，其是具有從第二物理傳聲器單元1320獲得的第二音頻信號的角度響應1322的一階定向單元；第三物理傳聲器單元，其是具有從第三物理傳聲器單元1370獲得的第三音頻信號的角度響應1372的一階定向單元；第四物理傳聲器單元1380，其具有從第四物理傳聲器單元1380獲得的第四音頻信號的角度響應1382的一階定向單元。
第一物理傳聲器單元1310和第二物理傳聲器單元1320互相按180度角度分隔並且沿著(或平行於)第一軸1392定向。第三物理傳聲器單元1370和第四物理傳聲器單元1380互相按180度角度分隔並且沿著(或平行於)第二軸1394定向。軸1392和1394可以彼此正交，在這種情況下，沿著第一軸1392定向的傳聲器單元(例如，第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元)與沿著第二軸1394定向的物理傳聲器單元(例如，第三物理傳聲器單元和第四物理傳聲器單元)之間彼此具有90度的角度分隔。在該實施例中，主音頻波束是沿著第一軸1392和第二軸1394的交叉點1396始發的向量定向的，該向量具有可以在第一軸1392和第二軸1394形成的平面中在360度內指引的頂點。
如圖14圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1400包括三個物理傳聲器單元第一物理傳聲器單元1420，其是具有從第一物理傳聲器單元1420獲得的第一音頻信號的角度響應1422的一階定向單元；第二物理傳聲器單元1480，其是具有從第二物理傳聲器單元1480獲得的第二音頻信號的角度響應1482的全向單元；以及第三物理傳聲器單元1430，其是具有從第三物理傳聲器單元1430獲得的第三音頻信號的角度響應1432的一階定向單元。
第一物理傳聲器單元1420沿著第一軸1492定向。第三物理傳聲器單元1430沿著第二軸1494定向。軸1492和軸1494可以彼此正交，在這種情況下，沿著第一軸1492定向的傳聲器單元(例如，第一物理傳聲器單元)與沿著第二軸1494定向的物理傳聲器單元(例如，第三物理傳聲器單元)之間有90度的角度分隔。在這個實施例中，主音頻波束是沿著第一軸1492和第二軸1494的交叉點1496始發的向量定向的，該向量具有可以在第一軸1492和第二軸1494形成的平面中在360度內完全指引的頂點。
如圖15圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1500包括六個物理傳聲器單元，即，第一物理傳聲器單元1510，其是具有從第一物理傳聲器單元1510獲得的第一音頻信號的角度響應1512的一階定向單元；第二物理傳聲器單元1520，其是具有從第二物理傳聲器單元1520獲得的第二音頻信號的角度響應1522的一階定向單元；第三物理傳聲器單元1570，其是具有從第三物理傳聲器單元1570獲得的第三音頻信號的角度響應1572的一階定向單元；第四物理傳聲器單元1580，其是具有從第四物理傳聲器單元1580獲得的第四音頻信號的角度響應1582的一階定向單元；第五物理傳聲器單元1540，其是具有從第五物理傳聲器單元1540獲得的第四音頻信號的角度響應1542的一階定向單元；第六物理傳聲器單元1550，其是具有從第六物理傳聲器單元1550獲得的第六音頻信號的角度響應1552的一階定向單元。
第一物理傳聲器單元1510和第二物理傳聲器單元1520互相以180度角度分隔並且沿著(或平行於)第一軸1592定向。第三物理傳聲器單元1570和第四物理傳聲器單元1580互相以180度角度分隔並且沿著(或平行於)第二軸1594定向。第五物理傳聲器單元1540和第六物理傳聲器單元1550互相以180度角度分隔並且沿著(或平行於)第三軸1598定向。軸1592，1594和1598可以彼此正交，在這種情況下，沿著第一軸1592定向的傳聲器單元(例如，第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元)與沿著第二軸1594定向的物理傳聲器單元(例如，第三物理傳聲器單元和第四物理傳聲器單元)之間彼此以90度的角度分隔，並且也與沿著第三軸1598定向的物理傳聲器單元(例如，第五物理傳聲器單元和第六物理傳聲器單元)之間具有90度角度分隔。在該實施例中，主音頻波束是沿著第一軸1592，第二軸1594和第三軸1598的交叉點1596始發的向量定向的，該向量具有可以在第一軸1592，第二軸1594和第三軸1598的交叉點周圍形成的球面上完全指引的頂點。
如圖16圖示的，在一個實施例中，傳聲器陣列1600包括四個物理傳聲器單元，即，第一物理傳聲器單元1620，其是具有從第一物理傳聲器單元1620獲得的第一音頻信號的角度響應1622的一階定向單元；第二物理傳聲器單元1680，其是具有從第二物理傳聲器單元1680獲得的第二音頻信號的角度響應1682的一階定向單元；第三物理傳聲器單元1640，其是具有從第三物理傳聲器單元1640獲得的第三音頻信號的角度響應1642的一階定向單元；第四物理傳聲器單元1630，其是具有從第四物理傳聲器單元1630獲得的第四音頻信號的角度響應1632的全向單元。
第一物理傳聲器單元1620沿著第一軸1692定向；第二物理傳聲器單元1680沿著第二軸1694定向；第三物理傳聲器單元1640沿著第三軸1698定向；第四物理傳聲器單元1630在第一軸1692，第二軸1694和第三軸1698的交叉點1696上。軸1692，1694和1698可以彼此正交，在這種情況下，第一物理傳聲器單元1620，第二物理傳聲器單元1680，和第三物理傳聲器單元1640彼此以90度角度分隔。在這個實施例中，主音頻波束是沿著第一軸1692，第二軸1694和第三軸1698的交叉點1696始發的向量定向的，該向量具有可以在第一軸1692，第二軸1694和第三軸1698的交叉點周圍形成的球面上完全指引的頂點。
如上所述，公開的實施例通過產生具有低失真的定向音頻信號解決了音頻信號增強的問題。所公開的方法和裝置允許在小器件中的傳聲器陣列裡的區分角度的傳聲器單元。這樣的傳聲器陣列允許更小的封裝，產品集成，並因此減小處理引起的消耗。這樣的器件可以嵌入手機，頭盔傳聲器，助聽器，便攜記錄設備，位置和/或定位傳感器，自動系統等，以及包括上述至少一個的組合。可以利用這個音頻信號陣列處理的可能的應用包括動畫和聲音記錄，語音備忘系統，免提電話，電話會議系統，來客接待系統，自動系統等。
這裡公開的所有範圍都是內含的和包括的，意思是範圍「一直到大概180」或「大概90至大概180」是包含端點和範圍內所有中間值的。這裡所用的術語「第一」，「第二」和類似詞不表示任何次序，數量或重要性，而是用於元件間彼此區分，這裡的術語「一」和「一個」不表示數量的限制，而是相關物的至少一個的表示。
雖然所公開的已經結合實施例描述，但本領域技術人員可以理解，可以做不同的改變並且元件可以做等效替換而不脫離所公開的範圍。另外，因此可以做許多修改以適應公開的特定情況或材料，而不脫離本質範圍。因此，本發明的目的不是將其限制於作為執行本發明的最佳實施例公開的特定實施例，而是包括落入所附的權利要求範圍的所有實施例。
權利要求
1.一種音頻信號增強方法，該方法包括從第一物理傳聲器單元獲得第一音頻信號；從與第一物理傳聲器單元定向不同的第二物理傳聲器單元獲得第二音頻信號；陣列處理第一音頻信號和第二音頻信號以產生虛擬線性一階單元；陣列處理第一音頻信號和第二音頻信號以產生虛擬非線性偶次階單元；以及合併虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元以產生具有主音頻波束的定向音頻信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中將虛擬線性一階單元加到虛擬非線性偶次階單元以產生定向音頻信號。
3.如權利要求2所述的方法，其中陣列處理第一音頻信號和第二音頻信號以產生虛擬非線性偶次階單元包括提高一階雙向單元至偶次冪。
4.如權利要求3所述的方法，其中一階雙向單元是虛擬一階雙向單元，其通過下述方式產生將第一音頻信號和第二音頻信號做數學相減，其中第一物理傳聲器單元是一階定向單元以及第二物理傳聲器單元是一階定向單元。
5.如權利要求2所述的方法，其中陣列處理第一音頻信號和第二音頻信號以產生虛擬線性一階單元包括線性混合一階雙向單元和全向單元。
6.如權利要求5所述的方法，其中一階雙向單元是虛擬一階雙向單元，其通過下述方式產生將第一音頻信號和第二音頻信號做數學相減，其中第一物理傳聲器單元是一階定向單元以及第二物理傳聲器單元是一階定向單元。
7.如權利要求5所述的方法，其中全向單元是虛擬全向單元，其通過下述方式產生將第一音頻信號和第二音頻信號做數學相加，其中第一物理傳聲器單元是一階定向單元以及第二物理傳聲器單元是一階定向單元。
8.如權利要求1所述的方法，其中主音頻波束沿著與至少第一物理傳聲器單元的方向平行的波束軸定向。
9.一種音頻信號增強的設備，包括第一物理傳聲器單元，其為一階定向單元；第二物理傳聲器單元；第一除法器，用於使用換算因數換算來自第一物理傳聲器單元的音頻信號，以產生第一換算音頻信號；第二除法器，用於使用換算因數換算來自第二物理傳聲器單元的音頻信號，以產生第二換算音頻信號；處理器，用於陣列處理第一換算音頻信號和第二換算音頻信號以產生虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元，以及合併虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元以產生包括主音頻波束的定向音頻信號；乘法器，用於將換算因數乘以定向音頻信號。
10.如權利要求9所述的設備，其中換算因數是基於來自第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元中的最大音頻信號的量值的。
11.如權利要求9所述的設備，其中第二物理傳聲器單元是一階定向單元。
12.如權利要求9所述的設備，其中第二物理傳聲器單元是全向單元。
13.如權利要求9所述的設備，進一步包括第一放大器，用於校準第一物理傳聲器單元的增益；以及第二放大器，用於校準第二物理傳聲器單元的增益。
14.如權利要求9所述的設備，其中第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元之間的距離分隔小於感興趣的最短波長的半波長。
15.如權利要求9所述的設備，其中第一物理傳聲器單元和第二物理傳聲器單元定位為大致平行於第一軸並且彼此具有大約180度的角度分隔。
全文摘要
一種音頻信號增強的方法，包括獲得(222)來自第一物理傳聲器單元的第一音頻信號和獲得來自第二物理傳聲器單元的第二音頻信號。所述音頻信號被陣列處理(226)以產生虛擬線性一階單元和虛擬非線性偶次階單元。所述陣列處理(226)包括合併所述虛擬線性一階單元和所述虛擬非線性偶次階單元以產生具有主音頻波束的定向音頻信號。本發明還公開了一種實現所述方法的設備。
文檔編號H04R1/40GK101061743SQ200580040040
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月17日 優先權日2004年12月23日
發明者羅伯特·A·茹雷克 申請人:摩託羅拉公司