具体实施方式

参考图1，示出了示例性飞机驾驶舱和飞行甲板10。如图所示，驾驶员通信(相控阵通信系统)12可以位于驾驶员和副驾驶员坐席位置前方的适当位置，优选地使得扬声器阵列14和麦克风阵列16在驾驶员和副驾驶员头部的视线内。在图1中，驾驶员头部位置在20处示出。扬声器阵列14限定该示例中指向一个驾驶员的声束22，并且麦克风阵列16限定该示例中指向另一个驾驶员的声束麦克风拾音图案24。声束22和24可由信号处理电路18引导，因此扬声器和麦克风波束图案可以对准驾驶员和副驾驶员中的一个(或两者)。此外，尽管已经为扬声器和麦克风阵列中的每一者描绘了一个声束图案，但是通过由信号处理电路适当地驱动这些阵列，诸如通过在不同的波束方向之间以人耳无法辨别的速率快速切换，可以控制阵列以从每个阵列限定多个波束图案。

驾驶员通信系统12通常包括多个扬声器和多个麦克风(在本文中统称为声“换能器”)，各自布置成预定义的间隔开的布局。在优选实施例中，这些扬声器和麦克风耦合到信号处理电路18，该信号处理电路18将相位受控的音频信号供应给扬声器并从麦克风接收相位受控的音频信号。信号处理电路18可以使用现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)或其组合来实现。

如将在下面更全面地讨论的，多个扬声器和多个麦克风各自作为相控阵系统进行操作，该相控阵系统产生由换能器的位置决定并且进一步由每个换能器的由信号处理电路18支配的信号时间延迟决定的波束图案。驾驶员通信系统可以耦合到航空电子通信系统11，该航空电子通信系统11提供与空中交通控制(ATC)的通信并且还提供信号路由以允许驾驶员彼此通信和与机组乘务员通信，以及向乘客广播消息。

驾驶员通信系统的典型实施例将包括包含多个扬声器的扬声器阵列14和包含多个麦克风的麦克风阵列16这两者。为了获得扬声器和麦克风这两者的期望的可引导波束图案结果，将扬声器和麦克风(统称为“换能器”)物理布置成预定义的配置图案(与由信号处理电路18引入的延迟量有关的属性)。

在图2A至图2F中已经示出了几种不同的间隔开的换能器配置图案。其他配置图案也是可能的。这些配置图案可以单独使用或组合使用。换能器26(如上所述的扬声器或麦克风)各自根据预定义的配置图案进行布置，诸如但不限于图2A至图2F中所示的那些示例。请注意，扬声器和麦克风两者不必根据相同的配置图案进行布置。因此，例如，扬声器可以布置成螺旋形配置图案，而麦克风布置成正方形配置图案。

图2A示出了线性阵列，其中换能器沿着共同的直线居中。换能器根据预定义的间隔图案间隔开(例如，相等地间隔、对数地间隔或具有其他间隔)，并且各自优选地由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。以该方式，信号处理电路能够向每个换能器发送或接收精确定时的音频信号。这种精确定时的音频信号的作用是产生阵列波束图案。

在图2A中所示的线性阵列的情况下，波束图案可以由信号处理电路控制以提供一维波束引导。因此，线性阵列很好地适于部署在飞行甲板位置中，其中线性阵列大体位于包括驾驶员和副驾驶员的头部的平面中。

图2B示出了弯曲的或曲线形阵列，其中换能器沿着共同的曲线居中。与图2A的线性阵列一样，换能器可以相等地间隔开或以两边对称性间隔开。曲线形阵列很好地适于部署在由机身的形状决定的具有自然弯曲表面的驾驶舱部分中。与线性阵列一样，曲线形阵列的换能器可以由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。

图2C示出了圆形阵列。优选地，换能器相等地间隔，各自由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。圆形阵列很好地适于布置在驾驶舱的天花板上，诸如驾驶员头部上方和前方。圆形阵列可以提供二维波束引导。

图2D示出了同心圆形阵列。优选地，换能器绕每个同心圆相等地间隔，各自由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。同心圆形阵列在将由信号处理电路处理的音频信号细分为不同的频带时是有用的。在这方面，较低的频率具有较长的波长；相反，较高的频率具有较短的波长。因此，确定同心圆的尺寸，使得换能器的间隔在较大的圆上分开更远(更好地适于集合地再现或捕获较低频率)，而在较小的圆上更靠近在一起(更好地适于集合地再现或捕获较高频率)。

图2E示出了螺旋形阵列，其中换能器26根据对数图案间隔。换能器各自由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。像同心圆形阵列一样，螺旋形阵列提供不同的换能器间隔。这是遵循螺旋形图案的自然结果；然而，此外，单独的换能器基于对数关系间隔开。因此，螺旋形阵列很好地适于提供不同换能器间隔的范围，以与由信号处理电路介导的不同频带相对应。在这方面，螺旋形阵列可以提供更多的宽带频率响应，这是因为在向所选换能器发送或接收音频时，信号处理电路具有更多的换能器间隔选项来使用。像圆形阵列一样，螺旋形阵列能够提供二维波束引导。

图2F示出了正方形或直线组成形(rectilinear)阵列。换能器各自由耦合到信号处理电路的专用音频信号传输线馈送。正方形阵列类似于圆形阵列，提供二维波束引导。正方形阵列适于包装约束做出决定的应用中。

尽管图2A至图2D中所示的换能器间隔是均匀的，但是实际上，换能器之间的间隔可以是恒定的、线性的、对数的或基于其他因素。

有源换能器选项

在所有示出的换能器配置图案的实施例中，如果需要，可以将换能器实现为可寻址的有源设备，各自具有唯一地址。在这种实施例中，所有换能器可以经由控制总线耦合到信号处理电路，该控制总线供应承载音频信息的数据信号，并且承载用于通知哪个换能器将作用于所供应的数据信号的地址信号。

为了更好地理解波束引导是如何完成的，请参考图3，其示出了以线性阵列布置的两个换能器(例如，扬声器)。当两个扬声器相干地馈送有相同的正弦音频信号时，从每个扬声器发出的声波是同相的，并且声音将好像从扬声器的平面(即，从垂直于水平轴(如图3中所示)的方向)直接产生。

然而，当扬声器之一由延迟了时间增量dt的信号馈送时，两个扬声器的相应波前之间的相长和相消干涉将在成角度的方向上产生最响亮的集合声音，与水平轴不再垂直而是成角度θ，如图3中所示。通过知道音频频率的波长，可以用三角法计算角度方向。根据以下等式，频率(f)和波长(λ)与声速(c)相关：

f＝c/λ

为了在图3中所示的方向(角度θ)上引导波束，来自左侧扬声器(图3中)的信号被延迟了时间dt，该时间dt被计算为导致以下事实，即，来自左侧扬声器(图3中)的信号必须穿过附加距离d，以便其波前与来自右侧扬声器(图3中)的波前同相。可以使用以下三角关系为给定角度θ计算该延迟dt：

延迟dt＝s sin(θ)/c

其中s是扬声器间距，并且c是环境温度下的声速。

关于针对最佳性能的换能器间隔的评述

在设计换能器之间的间隔时，建议选择避免形成强的光栅瓣或旁瓣的间隔。光栅瓣是相对于声波长，在单独的换能器元件之间具有大且均匀的距离的结果。因此，优选地，应选择小的间隔(相对于声波长)，使得光栅瓣最小化。

另外，在设计用于驾驶员通信系统的相控阵通信系统时，在共同的封装中实现间隔开的扬声器和间隔开的麦克风可以是有益的，使得扬声器和麦克风相对于声波长彼此紧密地间隔。这可以帮助最小化声学回声，其为一种形式的圆形反馈，其中来自扬声器的声音由麦克风拾取，并由扬声器重新广播。有源电子声学回声消除处理也可以包括在信号处理电路中以减少声学回声。声学回声还被减少，这是因为扬声器和麦克风以可引导的波束图案进行操作(波束成形)，使得由扬声器阵列广播的声音和由麦克风阵列拾取的声音可以各自聚焦在不同的空间区域上，从而消除反馈回路的条件。

聚焦的、以电子方式可引导的波束图案

相控阵技术产生波束图案，该波束图案可以将声信号集中到比由单个换能器通常产生的小得多的空间区域中。此外，换能器的相控阵可以通过以电子方式调节应用于每个换能器的相移而将声信号聚焦在特定的空间区域上。

为了比较，图4A和图4B示出了在人类说出的语音的标称范围内的频率(例如500Hz)下操作的单个换能器的示例性声压图案。请注意，图案在方位角(azimuth)和仰角(elevation)中基本相同，并且具有宽的分散图案。由于该图案是由单个换能器生成的，因此没有相控阵波束图案。图案的形状大致为半球形或心形，在任何方向上的增益都很小。在高频下，当换能器尺寸大于声波长时，单个声波换能器的确表现出不均匀的方向性图案。然而，方向性不像相控阵系统那样聚焦和可调。

图5A和图5B示出了在与图4A和图4B相同的频率下操作的换能器阵列的可比较的声压图案。请注意，图案在方位角和仰角中都是显著聚焦的。产生图4A和图4B的图案的相同量的能量被限制到图5A和图5B中窄得多的波束图案，因此沿着波束的轴产生高得多的声压水平(较高的增益)，而在其他方向上产生较低的声能。通过使用可引导的较窄波束图案，所公开的通信系统能够最小化传输到乘客客舱中的声能。

图6示出了可以用于处理由扬声器换能器广播的音频内容的示例性信号处理电路18。该实施例将音频内容视为单个频带。因此，它很好地适合于布置为线性阵列(图2A)的扬声器阵列，并且也可以有效地与曲线形阵列(图2B)和圆形阵列(图2C)一起使用。音频源30可以供应来自多个源的音频，包括航空电子通信系统11(图1)，该系统通常包括通信无线电(例如，用于空中交通控制)、用于客舱和驾驶舱间通信(例如，驾驶员和副驾驶员之间，或与机组乘务员和乘客)的声音混合和路由系统、以及来自警报系统的音频。

出于说明的目的，假设音频源30承载模拟音频信号，然后由模数(ADC)电路32将该音频信号数字化。出于说明的目的，示出了具有16位分辨率的ADC。其他分辨率的位深度也是可能的。ADC将数字化的音频信号供应给现场可编程门阵列(FPGA)34，该FPGA 34通过编程被配置为定义n个信号路径，以容纳数字音频流的n个副本，其中n是在阵列中实现的扬声器的数量。因此，如果实现八扬声器阵列，则FPGA将具有八个数字音频流(通道)。FPGA向每个音频流应用计算出的延迟时间(其可以是空或零延迟时间)，该延迟时间被集合地设计为在特定方向上引导从扬声器阵列发出的集合波束。这些延迟计算的详细信息在下面讨论。如上所述，由所公开的FPGA执行的功能也可以使用一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路和/或其组合来执行。

一旦已经单独地将延迟时间(其可以是零延迟时间)应用于每个音频流，FPGA就将数字音频流输出到多通道数模转换器(DAC)36，其将每个数字音频流转换成模拟信号。在所示的实施例中，多通道DAC提供16位分辨率以匹配ADC的分辨率。其他分辨率的位深度也是可能的。多通道DAC提供足以单独地处理每个数字音频流的多个独立通道。

一旦转换为模拟信号，音频流就由一组低通滤波器38处理。低通滤波器组38包括专用于每个模拟音频流的一个低通滤波器(即，阵列中每个扬声器一个低通滤波器)。在所示的实施例中，每个滤波器在100kHz下提供3db的滚降。滤波器允许人类听觉范围内的音频信号通过而没有衰减，但是阻挡远高于该范围的频率，以防止数字时钟噪声和其他杂散信号被传递到放大器级40。其他滤波器滚降频率和滤波器斜率也是可能的。放大器级40为每个音频信号提供一个放大通道。每个放大器向扬声器14提供低失真信号增益和阻抗匹配，从而可以在驾驶舱内实现合适的收听水平。如果需要，可以将FPGA 34下游的部分或全部多通道组件与每个扬声器一起捆绑或封装，从而允许将数字音频分发到扬声器阵列。在这样的实施例中，使用同步信号在完全相同的时间加载所有DAC。这种同步信号是现有数字音频标准提供的数字音频信号的添加。

因为系统计算向空间中的实际点的引导，而不是仅使阵列成角度，所以由信号处理电路计算的时间延迟可以仅基于从每个扬声器(或麦克风)到所定义的引导点的距离以及声速。在这方面，频率细分有助于离轴行为。使均匀间隔的扬声器/麦克风传输相同的信号将作为频率的函数产生不同的相长/相消干涉图案。频率越高，主节点变得越窄，代价是不利的反节点显著更多。这意味着小的位置改变生成了大的幅度变化。这可能被视为机组人员的主要烦恼和干扰。频率细分技术使用扬声器/麦克风位置的差异以及相对滤波，以跨越频率范围在引导点上保持相同的波束宽度。在某种程度上，这将降低整个阵列的SNR/增益，以便保持离轴行为，而无需妥协任何流回客舱的声音。因此，如果驾驶员将其头部移动离开引导点所在的位置，则他们不会感觉到幅度变化剧烈。

图7示出了另一示例性信号处理电路18的实施例，其可以用于处理细分为频带(诸如高频带、中频带和低频带)的音频内容。该多频带实施例很好地适合于已经优化在聚类中的扬声器阵列，以利于不同的频率范围，诸如同心形阵列(图2D)和螺旋形阵列(图2E)。在该实施例中，音频源30由分频网络50基于频率划分为多个频带。为了说明，已经示出了三个频带或通道(高通道52、中通道54、低通道56)。可以根据应用的要求实现更多或更少的频带。

将音频频谱细分为不同的频率范围或频带，这对如何可以以精确的准确度将不同频率的声音传递到空间中的特定位置提供了更好的控制。其原因在于，将声束引导到空间中的特定点所需的时间延迟取决于频率(取决于波长)。在下面讨论的计算中，发现声波的波长在时间延迟计算中起着关键作用，而作为基础物理，波长与频率成反比。

因此，通过将可用频率范围细分为不同频带，FPGA 34为每个频带或频率范围计算适当的时间延迟变得可能。通过在聚焦声能时产生更大的精度，多频带实施例能够更好地将广播声音的完整频谱直接传递到驾驶员的耳朵。该准确度还有助于提高清晰度，这是因为传递了良好语音清晰度所需的所有频率内容，而没有相位误差。在这方面，人类语音中的元音声在语音频率范围内趋于较低，而辅音声在语音频率范围内趋于较高。如果这些相应的元音声和辅音声在到达人耳时达到正确同步，则语音信号更清晰。在飞机驾驶舱中，具有高度准确的语音再现对于克服由飞行期间的高环境噪声水平引起的掩盖效应非常重要。

高、中和低通道52、54、56被同时多通道ADC 58同时转换成数字音频流。重要的是，这些通道被同时数字化，使得数字化过程没有引入多个通道之间的任何时间差异。其原因在上面讨论过-为了确保频带之间的相位相干性，使得波束聚焦准确并且语音清晰度没有降低。

然后，基本如上所述，由FPGA 34处理数字音频的多个频带(在这种情况下为高、中、低)，以为阵列中的每个扬声器14产生单独的时间延迟的音频流。因此，FPGA 34之后的后处理级包括DAC 36、低通滤波器组38和放大器级40，它们的功能基本如上所述。

在采用同心圆形阵列(图2D)或螺旋形阵列(图2E)时，对声音传递的附加控制变得可能。尽管可以对同心圆形或螺旋形阵列中的所有扬声器像线性阵列那样(不考虑频带)进行驱动，但是同心圆形和螺旋形阵列通过为它们提供频率考虑而能够具有更好的性能。例如，同心圆形阵列的最外轨道中的扬声器可以由较低的频率馈送，而更靠近阵列中心的扬声器由较高的频率馈送。以该方式，阵列不仅可以更好地控制声音布置(在空间中听到信号的位置)，而且可以更好地控制声音保真度(在布置位置听到的音调的丰富度)。这样的频率均衡(EQ)也可以应用于线性阵列。例如，线性阵列中的外部扬声器可以进行低通滤波，而中心扬声器可以进行高通滤波。

单独的扬声器通过电磁驱动活塞或其他移动产生设备的泵送动作使大量空气移动而进行工作，该电磁驱动活塞或其他移动产生设备耦合到具有预定义表面积的扬声器锥体。移动低频(长波长)比移动高频需要移动更多的空气质量。这就是为什么常规的低音频率扬声器通常具有比高频扬声器大的扬声器锥体的原因。

由于空间有限，用于飞机驾驶舱的驾驶员通信系统的实际实施例通常要求使用尺寸较小的扬声器锥体。尽管可以使用不同尺寸的扬声器锥体来实现系统，但是这对于实现良好的保真度可能是不实际或不必要的。该系统从具有低频的空间分离中获得的一大优势与波长相关联。较长的波长需要扬声器之间较大的间距来实现方向性，这是重要的。然而，随着频率的增加，扬声器之间较大的空间间距导致峰值/平静边带行为的增加。这是分频滤波起作用的地方，并且是内部扬声器处理较高频率的原因。因此，一组扬声器之间的相对距离定义了它们实现可接受的方向性和声场行为时的波长(以及相反的频率)。

参考图8，以类似的方式处理来自麦克风阵列16的信号的处理。单独的麦克风62各自被馈送到麦克风放大器级64的专用通道，并且然后被馈送到同时多通道ADC 66，其将麦克风信号转换成数字信号。然后，这些数字信号被输入到FPGA 34。

FPGA控制每个麦克风输入相对于其他麦克风输入的采样时间，从而以电子方式控制由麦克风阵列接收到的整体声音的方向性。然后，可以对来自麦克风组的接收到的音频信号进行数字滤波、处理和组合，以为每个驾驶员创建定制的高度方向性接收信号，同时最小化来自其他源或方向的噪声。

时间延迟的计算

FPGA 34使用线性阵列、圆形阵列和螺旋形阵列的相同方法来计算适用的时间延迟，除了线性阵列延迟仅在二维(x，y)中计算之外。FPGA被供应有每个扬声器和麦克风在空间中的(x，y，z)坐标。然后，在相同的(x，y，z)坐标参考系中，FPGA被供应有或计算麦克风和扬声器阵列两者的引导点。在典型的实施例中，麦克风和扬声器的引导点可能会在驾驶员的方向上，但是取决于特定的应用，它们可能是不同的。然后，FPGA确定从每个扬声器/麦克风到引导点的距离，并将该距离除以声速。这给出了声波穿过该距离将耗费的时间：

然后，各种传送时间之间的差合计为FPGA应用于每个信号的时间延迟(或时间提前)。在一个实施例中，(多个)固定位置可以用作引导点(例如，驾驶员头部的标称固定位置)。在另一实施例中，使用图像跟踪来动态地计算引导点。例如，可以通过使用光学或LiDAR感测和识别驾驶员的面部、头部、嘴部、耳朵等来执行图像跟踪。也可以使用其他技术感测技术。

尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现如本文考虑的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置上进行各种改变。