[发明专利]在小型装置中使用声音传感器阵列估计到达方向

说明书

技术领域

本发明总体上涉及借助于声音敏感传感器如传声器的阵列估计声能到达的方法和系统，尤其涉及在小型电子装置如便携装置例如体戴装置如听力装置例如助听器中应用这样的方法和系统。

背景技术

听力受损人员的最大问题迄今仍为在存在竞争声源的情形下理解语音。这由失去足够好地分离声源的能力从而不能“调准/调谐到”当前最感兴趣的信号造成。正常听力人员具有该分离和调准的能力，通常称为鸡尾酒会效应。大脑和听觉系统通过朝向感兴趣声源调整神经增益而进行前述调准。最近的大脑成像数据表明，典型的神经增益在10-12dB级。这意味着大脑在神经学上可将感兴趣的声源加强10-12dB的量。对于听力受损人员，该神经增益要低得多，其接近0dB，这也解释了为什么听力受损人员抱怨声音趋于融为一体，也就是说，它们不再能够被听力受损人员分离和调准。为解决这个问题，希望使用一定尺寸的传声器系统，其可安装在助听器中或者通过一些其它的设置佩戴在听力受损人员的头上。

定向传声器/波束形成器通过抑制从一些方向到达的声音同时保持来自一个方向(通常前面)的良好灵敏度而起作用。与定向传声器相反的是全向传声器，其对于来自所有方向的声音具有一样的灵敏度。一阶相减传声器通常在助听器中实施定向传声器，其中来自两个全向传声器的输出被减去。后传声器处记录的声音被时间延迟然后从前传声器减去。声音在传声器之间传播所花的时间称为外部时延，其计算为传声器之间的距离除以声速。助听器内电学上引入的时延称为内部时延。如果声音从后面到达及内部时延等于外部时延，前面信号及延迟的后面信号将彼此抵消，助听器因而将对从后面到达的声音不敏感。内部时延和外部时延之间的比(称为时延比)确定对从不同方向到达的声音的灵敏度。定向传声器的灵敏度图通常使用极坐标图指明。极坐标图展现传声器对从不同方向到达的声音的灵敏度。

上面的讨论表明当前的波束形成技术(即使具有双耳波束形成器)在混响条件下未实现必要的10-12dB分离，从而不能为听力受损人员重新建立失去的分离能力。此外，波束太宽(30+度)以至于实际上没有选择性。虽然存在其它具有更窄的波束的配置，但来自后面的旁瓣增加。

靠近讲话者放置并使用例如眼睛注视来使用户直观地控制调入哪一讲话者的多个远程传声器原理上可解决该问题。

发明内容

更通用的解决方案将需要头部安装的定向传声器，其分离每一讲话者并使用户能调准到同时或个别活跃的讲话者中的一个或多个(从而实施多个(截然不同的)虚拟传声器)。图8示出了这样的情形。

本发明提出在小型装置如听力装置例如助听器中或者在采用声学声音感测技术的其它便携装置如移动电话或扬声电话中进行波束形成的备选基本原理。对于这些物理尺寸遭受限制的装置，根据本发明，可提供相较目前技术水平的波束形成技术更有选择性的波束形成器。

用于定位和表征声源的现有技术装置为所谓的声像仪/声学照相机，其由一组传声器(也称为传声器阵列)组成，这些传声器被同时采集以形成声源位置的表示。声像仪通常包括传声器阵列及非必须地包括光学照相机。传声器(模拟或数字)被同时采集或者具有已知的相对时延以能够使用信号之间的相差。随着声音以有限的已知速度在介质(空气、水……)中传播，声源由传声器在不同的时刻及以不同的声音强度(取决于声源位置和传声器位置)感知。一种常用的从传声器的测量获得声像的方法是使用波束形成：通过相对地延迟每一传声器信号并将它们相加，来自特定方向的信号被放大，而来自其它方向的信号被消除。之后，计算该所得信号的功率并报告在功率图上对应于方向的像素处。在需要计算功率的每一方向重复该过程。

然而，声像仪的尺寸通常太大以至于不能安装在头上。因而，典型的数据是直径60cm，及声像仪通常具有一百个甚至更多个传声器如MEMS传声器(微型机电系统传声器)，具有窄波束(低于10度)及具有约40dB的旁瓣衰减(分离能力)。大量传声器及(大的)物理尺寸是高角分辨能力的基础。

目前技术水平的助听器延迟及求和波束形成器的问题在于未足够好地分离。下面的表1示出了基于无回音室的记录，对于具有2x2个传声器的设置(左耳中两个传声器，右耳中两个传声器，就像当前的具有模拟的理想的耳-耳无线链路的助听器中一样)，指向不同方向的波束的分离能力(清晰度-定向指数)。该表表明，在约4-9dB范围中的分离能力取决于方向。然而，这是在无回声条件下。在现实的混响条件下，该分离能力仅为约3-4dB。

表1：典型的现有技术双耳定向助听器验配的清晰度-定向指数