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04.2021

麥克風陣列與波束成形

數碼科技(手機)  

麥克風陣列與波束成形

在武俠的世界裏,似乎我們總有自己很多暗器高手,能夠可以通過“聽聲辨位”的高超管理技術關鍵一招制敵,其中最有名的大概就屬“飛天就是蝙蝠”柯鎮惡了。而柯大俠最讓中國讀者更加津津樂道的便是為了那句:“大家等會兒看我的眼色以及行事”。

雖然我們普通人不能像柯大師那樣“聽風辨形”,但最基本的“循聲”還是可以做到的,秘訣當然是我們的兩只耳朵和我們的大腦,它們可以處理複雜的信號。更有趣的是,如果我們遮住一只耳朵,就很難感知聲源的位置。我們今天的主題是“聽音辨位”之謎。

01 人耳如何進行辨別不同聲音方位

熟悉環境雜訊進行測試的朋友都聽說過麥克風陣列可用來提高辨識雜訊源的位置和強度,而我們的雙耳便是這樣一個由雙麥克風系統組成的天然形成陣列。

其實人耳分辨聲源位置的原理並不複雜。人的左前方有一個聲源。由於聲源與左右耳的距離不同,左右耳接收聲音時會有時間差和強度差。在行波上,雙耳接收到的聲音信號的相位和幅度是不同的,人的聽覺通路會根據這個差異計算聲源位置。

除了相位和幅值的差異問題之外,人的頭顱也會對中國聲音可以產生不可阻擋,造成一些所謂的“頭影區”,並且對不同工作波長的聲音產生一個不一樣的阻擋效果,輔助聽覺中樞判斷聲音的來源。同時,人的耳廓形狀比較複雜,對不同歷史方位聲源反射的頻譜特性也不相同,能夠得到進一步發展幫助提高人們通過感知聲音的方位。

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看到這一點,朋友們可能會忍不住稱讚自己的耳朵和大腦有多好。

02 沒有足夠的軟體、硬體來湊合

和許多仿生學應用一樣,我們對大腦中的信號處理演算法一無所知,儘管我們瞭解耳朵識別聲音的能力背後的機制,以及聽覺中樞是如何工作的。

人類大腦經過幾百萬年的進化,可以在只有兩個聲音感測器的簡單條件下接收信號,瞬間完成資訊處理並給出結論,甚至在過程中主動遮罩背景雜訊,即使是最先進的技術也難以匹敵。

軟體設計不夠,硬體來湊?既然軟實力不行,那就可以直接通過使用提供更多的麥克風吧,於是麥克風陣列便應運而生。麥克風陣列,即將具有一定數量的聲學感測器按某種行為方式方法進行排布,對聲場的空間結構特性研究進行數據採樣並處理的系統。

不同功能的麥克風陣列在形式上有很大的不同。手機通常使用幾個麥克風來消除環境噪音和語音增強,而用於測量飛機噪音的麥克風陣列數量可能很大,而且傳播面積相當大。世界上最大的麥克風陣列是由荷蘭聲學技術公司 sorama 於2014年建造的,共有4096個單獨的麥克風。

03 兩種信號處理方法

就像人腦一樣,麥克風陣列採集的數據必須經過處理,否則只是一堆混沌信號。有兩種常用的數據分析技術,包括近場聲全息術(nah)和波束形成(BF)。

顧名思義,近場聲全息技術適合於近場結構分析,即麥克風企業處於中國聲音進行信號的一個或兩個不同波長一定範圍內,此時的聲波在空間中的傳播被視為球面波。而波束成形則適合於我們距離雜訊源七個工作波長範圍之外的遠場,此時的聲波在空間中近似為平面波。

例如,一塊石頭落入水中的漣漪,如果觀察者站在遠離掉入水中的石頭的地方,漣漪不再看起來像一個圓圈,而是沿著直線向觀察者移動。對於飛機和車輛雜訊等工程問題,麥克風陣列通常不能置於近場進行近場聲全息分析,而多採用波束形成方法。

發表於2021.4.26
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