技术领域
[0001] 本
发明涉及音响技术领域，具体是一种强指向性话筒。
背景技术
[0002] 若
传声器在特定方向灵敏度较高，而其余方向(
角度)的灵敏度较低，则该传声器具有指向特性。具有指向性的传声器可以增强特定方向(目标声源方向)的声音
信号，并削弱其他方向的噪音信号，从而提高对目标声音拾取的清晰度和准确度。阵列式话筒(或称为麦克
风阵列)是指按一定距离排列放置的一组传声器。阵列式话筒通过
声波抵达阵列中每个传声器之间的微小时间差的相互作用，从而得到比单个传声器更好的指向性。下面对阵列式话筒的指向性原理进行简单说明(可参考杜功焕、朱哲民、龚秀芳编写的《声学
基础(第二版)》第6章内容)。
[0003] 图1为n个等距排列的一组传声器，相邻传声器之间的距离为L，发声源S和传声器mi之间的距离为ri，假设声源S为无指向性声源，声音振幅为A，则声源S到达各传声器
位置的声压Pi为：
[0004]
[0005] 设各个传声器的灵敏度均为m，则传声器mi拾取到的
电信号强度Vi为：
[0006]
[0007] n个传声器拾取到的电信号强度加起来的
电压V为：
[0008]
[0009] 对于远场，声源点到达各传声器的距离相近，以中心话筒
和声源之间的距离r代替，则公式(1)可化解为:
[0010] 其中
[0011] 由此可见，由于从各个传声器到声源S的声程不一样，拾取到的电信号出现干涉，其结果导致不同方向的电信号不一样，即出现指向性，其指向性为：
[0012]
[0013] 综上所述，指向性跟声程差与
波长的比值及传声器的个数有关。当k△＝mπ(m＝0,1,2，···)时，D(θ)＝1，在 方向上出现极大值，其中对应θ＝0的为
主极大值，其余为副极大值，为了使第一个副极大值不出现，必须满足l<λ(λ为声波的波长)。此时阵列式话筒在其中心垂直方向上具有极强的指向性。
[0014] 现有阵列式话筒只能在较窄
频率范围内实现强指向性，若需要在较宽
频率范围内都有指向性，则需要针对各个声音频段单独设置专
门的传声器组。例如6个拾音频段，每个频段设置5个传声器，就总共需要30个传声器。这样不仅会使得阵列式话筒的传声器的数量非常多，增加制造成本，而且体积也会比较大。
发明内容
[0015] 本发明解决的技术问题是提供一种传声器数量较少的强指向性话筒，使其在较宽声音频率范围内都具有强指向性。
[0016] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0017] 一种强指向性话筒，该话筒用于处理1/1倍频程的B个频段的声音，F1c为第1频段的中心频率，F1c所对应的波长为λ1c，Fic为第i频段的中心频率，i取整数，2≤i≤B，Fic所对应的波长为λic，该话筒包括
拾音器、
模数转换器、
数字信号处理器和输出转换器；
[0018] 所述拾音器包括N个线性排列的传声器， 其中N为奇数，这N个传声器划分成B组：
[0019] 第1组有M个传声器，各传声器的间距
[0020] 第i组传声器设有 个传声器，这些传声器平均分布在第i-1组传声器(i-1)
的两外侧，其中位于同一侧的相邻的传声器的间距Li＝2 ×L1，此时，若 的值为整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为Li；若 的值为非整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为
[0021] 各个传声器的
音频信号分别经过所述模数转换器处理后传输至所述数字
信号处理器，所述
数字信号处理器包括混音模
块和B个分割模块，该分割模块用于对对来自相应传声器的音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，该混音模块用于将各个分割模块输出的音频信号进行混音处理后传输至所述输出转换器，其中，
[0022] 第1分割模块接收来自所述N个传声器中的间距为L1的M个传声器的音频信号，第1分割模块处理得到的声音频段下限为 上限为
[0023] 第i分割模块接收来自所述N个传声器中的间距为Li的M个传声器的音频信号，第i分割模块处理得到的声音频段下限为 上限为
[0024] 改进之一：该话筒还包括
放大器，各个所述传声器的音频信号分别通过该放大器处理后传输至所述模数转换器。
[0025] 改进之二：所述分割模块包括
串联的高通
滤波器和
低通滤波器，该
高通滤波器的截止频率为该所述分割模块处理得到的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率为该所述分割模块处理得到的声音频段的下限频率，传输至所述分割模块的各路音频信号经过该高通滤波器和该低通滤波器处理后传输至所述混音模块。
[0026] 改进之三：所述分割模块为
带通滤波器，该带通滤波器的带宽与该所述分割模块处理得到的声音频段相应，传输至所述分割模块的各路音频信号经过该带通滤波器处理后传输至所述混音模块。
[0027] 改进之四：所述数字信号处理器还包括与所述N个传声器对应的N个输入处理模块，每个输入处理模块包括串联的增益放大器、均衡器和延时器，各个传声器的音频信号分别经对应的输入处理模块处理后传输至相应所述分割模块。
[0028] 改进之五：所述数字信号处理器还包括与所述混音模块串联的输出处理模块，该输出处理模块包括串联的输出均衡器和输出增益调节器，所述混音模块输出的音频信号经过该输出处理模块处理后传输至所述输出转换器。
[0029] 改进之六：所述输出转换器包括输入端、AES(Audio Engineering Society,(美国)音频工程协会)转换输出端和
数模转换输出端，其中该输入端与所述数字信号处理器连接。
[0030] 改进之七：所述 所述M＝5，B＝3，N＝9。
[0031] 与
现有技术相比，有益效果是：本发明的话筒可以用较少的传声器为各个分割模块提供同等数量的传声器信号，并且使得话筒对多个频段内的声音都具有有较强的指向性，能够远距离拾取声音，并且可以对目标拾音方向的各个频率的声音进行较准确和清晰的还原。而且该话筒采用的是横向安装，可以直接放在桌面，不会对发言者的脸部造成遮挡。
附图说明
[0032] 图1为本发明的结构示意图；
[0033] 图2为传声器的布置示意图；
[0034] 图3为数字信号处理器的原理示意图；
[0035] 图4为分割模块的原理示意图。
具体实施方式
[0036] 如图1所示，本发明的强指向性话筒包括依次连接的拾音器10、放大器20、模数转换器30、数字信号处理器40和输出转换器50。该话筒可用于拾取1/1倍频程的B个频段的声音，每个频段通过M个传声器进行声音拾取。F1c为第1频段的中心频率，F1c对应的波i-1长为λ1c，Fic为第i频段的中心频率，i取整数，2≤i≤B，Fic＝(1/2) ×F1c，Fic对应的波长为λic。
[0037] 该拾音器10包括N个线性排列的传声器，N为奇数，这N个传声器被划分成B组(可参考图2)：
[0038] 第1组有M个传声器，各传声器的间距 例如可以取
[0039] 第2至第B组中的任意一组用第i组(2≤i≤B)表示，第i组传声器的数量qi为上取整函数， 第i组的传声器分布在第i-1组传声器的两外侧(即当前组传声器分布在前一组传声器的两外侧)，每侧有 个传声器，位于同一侧的相邻(i-1)
的传声器的间距Li＝2 ×L1。此时，若 的值为整数，则第i组传声器与第i-1组
传声器间相邻的传声器的间距(即第i-1组两外侧的传声器与第i组中最近传声器的间距为)为Li；若 的值为非整数，则第i组传声器与第i-1组传声器间相邻的传声器的间距为 按照上述传声器布置方式，N个传声器中，相邻间距为L1传声器有M个，相邻间距为Li的传声器同样有M个。
[0040] 根据上述说明，本发明的拾音器10共有 个传声器，与各个频段单独设置一定数量的专门传声器方式相比，本发明的传声器数量相对较少。例如假设话筒的拾音频段为6个，每个频段设置5个传声器，若采用原有方式则需要30个传声器，而本发明只需要 个传声器，与原有方式相比减少了
一半数量的传声器。
[0041] 如图1所示，各个传声器的音频信号分别经过放大器20、模数转换器30处理后传输至数字信号处理器40。如图3所示，该数字信号处理器40包括混音模块45和B个分割模块，各个分割模块用于对来自相应传声器的音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，该混音模块45用于将各个分割模块输出的音频信号进行混音处理(例如混音成一路或两路
输出信号)，并将混音处理后的音频
信号传输至所述输出转换器50，其中：
[0042] 第1分割模块接收来自上述N个传声器中的间距为L1的M个传声器的音频信号，第1分割模块处理得到的声音频段的中心频率为F1c，其下限为 (对应波长为)，上限为 (对应波长为 )，即该频段声音的最小波长为 (对应上限频
率)。然而如前所述，这M个传声器的间距 小于该频段声音的最小波长 即
该频段声音的波长均大于这M个传声器的间距。根据传声器阵列的指向性原理，这M个传声器对于第1分割模块处理得到的声音频段内的声音(拾音频段内的声音)具有指向性，并且不会出现副极大值。
[0043] 第i分割模块接收来自上述N个传声器中的间距为Li的M个传声器的音频信号，该第i个分割模块处理得到的声音频段(拾音频段)的中心频率为Fic，下限为 (对应波长为 )，上限为 (对应波长为 )，该声音频段最小的波长为
[0044] 由于该频段的中心频率 因此该中心频率所对应的波长λic＝i-1
2 ×λ1c，该声音频段的最小波长 此外，由于 所以这M个传
声器的间距 因此第i个分割模块处理得到声音的最小波长
大于这M个传声器的间距Li。根据传声器阵列的指向性原理，这M个传
声器对于第i分割模块处理得到的声音频段内的声音均具有指向性，并且不会出现副极大值。
[0045] 此外，中心频率为Fi-1c的声音频段下限为 上限为 由于Fic＝i-1
(1/2) ×F1c，即 因此当前频段的上限频率等于前一频段的下限频率，即
各分割模块的拾音频段可以相互衔接。
[0046] 基于上述传声器的分布方式和上述分割模块与传声器连接的方式，部分传声器将为一个以上的分割模块提供
声音信号，例如位于中央位置的传声器将同时为所有的分割模块提供声音信号，又例如与中央位置传声器间隔为2L1的两个传声器则同时为第1分割模块和第2分割模块提供信号，最终各个分割模块(包括第1至第B个)都可以接收到同等数量(均为M个)传声器的信号。
[0047] 虽然各个分割模块接收到的传声器信号数量是相同的，但是各个分割模块所对应的传声器的间距有所不同。第1个分割模块对应的M个传声器的间距为L1，第i个分割模(i-1)块对应的M个传声器的间距为Li＝2 ×L1。根据传声器阵列的指向性原理，第i个分割模块所对应的这M个传声器对于波长大于Li的声音具有指向性，并且只出现主极大值而不出现副极大值。根据前述分析，第i个分割模块的拾音频段的声音的最小波长为 (对应上限频率 )，大于大于这M个传声器的间距Li。因此各个分割模块对于其拾音频段范围内的声音信号均都具有指向性，且不会出现副极大值。
[0048] 综上所述，本发明采用特别的构造和连接方式，使得话筒可以用较少的传声器为各个分割模块提供同等数量的传声器信号，并且使得话筒对全频段(由多个连续频段组成)内的声音都有较强的指向性，可以对目标拾音方向的各个频率的声音进行较准确和清晰的还原。
[0049] 此外，本发明的分割模块用于对输入的音频信号进行处理，得到特定频段的音频信号，具体可以采用高通滤波器搭配低通滤波器的方式或直接采用带通滤波器的方式对接收到的声音信号进行滤波处理。
[0050] 若分割模块采用高通滤波器和低通
滤波器组合滤波的方式，则该高通滤波器的截止频率为该分割模块处理得到的声音频段的上限频率，该低通滤波器的截止频率则为该分割模块处理得到的声音频段的下限频率，传输至分割模块的各路音频信号经过该高通滤波器和该低通滤波器处理后传输至混音模块。若高通滤波器在前，则该高通滤波器与该分割模块对应的模数转换器30的M路输出连接，该低通滤波器与混音模块45连接。当然，高通滤波器和低通滤波器的位置可以交换，也可以由低通滤波器与模数转换器30的输出端连接，而高通滤波器则与混音模块45连接。
[0051] 若分割模块采用带通滤波器滤波的方式，该带通滤波器的带宽应该和该分割模块处理得到的声音频段相应，即带通滤波器的两个剪切频率与该分割模块所设定的声音频段的上、下限频率对应，传输至分割模块的各路音频信号经过该带通滤波器处理后传输至混音模块。
[0052] 在工作时，分割模块将上限频率和下限频率之间以外的音频信号去除，只剩下该上、下限频率之间的音频信号。这些音频信号对应的波长都小于该分割模块所对应的M个传声器的间距，根据等距传声器阵列的指向性原理，各个分割模块可以实现对其拾音频段内声音的强指向性。各个分割模块分别处理各自拾音频段内的声音，并且各自拾音频段内的声音都有较强的指向性，因此话筒对在全部频段内的声音都有的强指向性控制，从而实现话筒的宽频段超指向性控制。
[0053] 此外，数字信号处理器40还可以进一步包括与上述N个传声器对应的N个输入处理模块，每个输入处理模块包括串联的增益放大器41、均衡器42和延时器43。模数转换器30输出的各路音频信号经过增益放大器41、均衡器42和延时器43的处理后再传输给相应的分割模块。该增益放大器41、均衡器42和延时器43的顺序位置可以根据实际需要进行调整。
[0054] 进一步的，数字信号处理器40还可以包括与该混音模块45串联的输出处理模块，该输出处理模块包括串联的输出均衡器46和输出增益调节器47。该混音模块45输出的音频信号经过该输出处理模块处理后传输至输出转换器50。在本
实施例中，输出转换器50包括输入端、AES转换输出端和数模转换输出端，输入端与数字信号处理器40连接，其中AES转换输出端输出音频信号，数模转换输出端则输出
模拟信号。
[0055] 下面以具体实例对本发明作进一步说明。
[0056] 实例一：假设将拾音范围划分为1/1倍频程的3个频段，各频段的中心频率分别为400Hz,800Hz,1600Hz,话筒实现强指向性的频率下限为 频率上限为即话筒在283Hz至2262Hz范围内的声音均具有强指向性。若
每频段拾音传声器的数量为5，则话筒传声器的总数量
[0057] 如图2所示，这9个传声器被分成3组。其中，第1组有5个传声器m3’、m2’、m1、m2、m3，第2组有 个传声器m4’、m4，第3组有2个传声器m5’、m5。其中，第2组传声器m4’、m4分别设置在第1组传声器两外侧，第3组传声器m5’、m5分别设置在第2组传声器的两外侧。由于 为整数，因此当前组传声器与前一组传声器间相邻的传声器的距离为Li。具体是，第2组传声器与第1组传声器间相邻的传声器m4、m3，以及m4’、(2-1)m3’的间距为L2＝2 ×L1＝2L1；第3组传声器与第2组传声器间相邻的传声器m5、m4，(3-1)
以及m5’、m4’的间距为L2＝2 ×L1＝4L1＝2L2。
[0058] 如图2所示，此话筒有3个拾音频段，每个拾音频段均有5个传声器提供信号。其中，m3’、m2’、m1、m2、m3负责第1频段的拾音，m4’、m3’、m1、m3、m4负责第2频段的拾音，第m5’、m4’、m1、m4、m5负责第3频段的拾音。
[0059] 如图3所示，此话筒的数字信号处理器40包括增益放大器41、均衡器42和延时器43、分割模块、混音模块45、输出均衡器46、输出增益调节器47。拾音器10的9个传声器依次通过相应的增益放大器41、均衡器42和延时器43为第1至第3分割模块提供声音信号，其中，m3’、m2’、m1、m2、m3为第1分割模块P1提供信号，m4’、m3’、m1、m3、m4为第2分割模块P2提供信号，m5’、m4’、m1、m4、m5为第3分割模块提供信号。
[0060] 如图4所示，本实例的各个分割模块采用高通滤波器441和低通滤波器442组合滤波，对于第1分割模块P1，高通滤波器的截止频率为话筒第1拾音频段的上限频率 低通滤波器的截止频率为话筒第1拾音频段的下限频率其他分割模块类推。
[0061] 实例二：假设将拾音范围划分为1/1倍频程的6个频段，各频段的中心频率分别为100Hz,200Hz,400Hz,800Hz,1600Hz,3200Hz,话筒实现强指向性的频率下限为频率上限为 即话筒在70Hz至4525Hz范围内的声音均具有强指向性，该频段是人声的主要频段。
[0062] 若 每 频 段 传 声 器 的 数 量 为 5，则 该 话 筒 传 声 器 的 总 数 量 为若采用传统的传声器陈列布置方式，则需要
[0063] 若 每 频 段 传 声 器 的 数 量 为 9，则 该 话 筒 传 声 器 的 总 数 量 为若采用传统的传声器陈列布置方式，则需要54个传声器，相比之下节省了29个传声器。
[0064] 若 每 频 段 传 声 器 的 数 量 为11，则 该 话 筒 传 声 器 的 总 数 量 为若采用传统的传声器陈列布置方式，则需要66个传声器，相比之下节省了31个传声器。
