麥克風(fēng)陣列的基本原理、結構組成及聲學(xué)效果

　　麥克風(fēng)陣列具有對遠場(chǎng)干擾噪聲很強的抑制作用，應用于便攜IT設備如PDA、GPS、NB、手機等在較大噪聲環(huán)境中使用時(shí)表現出較好的效果。小型麥克風(fēng)陣列由一組麥克風(fēng)單元在一個(gè)小范圍內按照一定空間分布組合而成，由于它在噪聲環(huán)境下具有良好的信號采集性，因此越來(lái)越受到聲學(xué)應用領(lǐng)域的關(guān)注。

　　波束的形成

　　麥克風(fēng)陣列是指按一定距離排列放置的一組麥克風(fēng)，通過(guò)聲波抵達陣列中每個(gè)麥克風(fēng)之間的微小時(shí)差的相互作用，麥克風(fēng)陣列可以得到比單個(gè)的麥克風(fēng)更好地指向性。在麥克風(fēng)陣列的設計中首要的改進(jìn)是引入了波束成形、陣列指向性與波束寬度的概念。

　　通過(guò)對所有麥克風(fēng)信號的綜合處理，麥克風(fēng)陣列可以組合成為所要求的強指向性麥克風(fēng)，形成被稱(chēng)為“波束”的指向特性。麥克風(fēng)陣列的波束可以經(jīng)由特殊電路或程序算法軟件控制,使其指向聲源方向而加強音頻采集效果。

　　陣列算法處理后的指向性波束形成技術(shù)能精確的形成一個(gè)錐狀窄波束，只接受說(shuō)話(huà)人的聲音同時(shí)抑制環(huán)境中的噪音與干擾。

　　可以通過(guò)以下兩種方法獲得麥克風(fēng)陣列單元之間相對位置的信息：

　　(1) 把一對麥克風(fēng)同步采集到的信號進(jìn)行互相關(guān)，尋找互相關(guān)信號的最大值，得到兩信號之間的延時(shí)τ，再乘以聲波傳播速度C0得到相對位置間距：

　　(2) 測量一對麥克風(fēng)同步采集信號相位差ΔΦ，根據頻率f和聲傳播速度C0得到這一對麥克風(fēng)的位置間隔：

　　經(jīng)過(guò)計算及試驗驗證，相位法分析麥克風(fēng)相對位置差的精度要比互相關(guān)法分析的精度高。

　　通過(guò)算法控制，麥克風(fēng)陣列在搜索到講話(huà)者的位置之后可以將波束指向當前的講話(huà)者。麥克風(fēng)陣列這種極強的智能指向性功能可以顯著(zhù)降低周邊環(huán)境噪聲及回聲的影響。

　　單麥克風(fēng)與采用波束形成技術(shù)麥克風(fēng)陣列接收講話(huà)者聲音效果的對比

　　陣列指向性

　　由于麥克風(fēng)陣列的輸出信號中包含比單只麥克風(fēng)更低的噪聲和回聲成份，所以其固有噪聲抑制能力要遠高于單只麥克風(fēng)。麥克風(fēng)陣列在1000Hz的典型指向性波束圖型如圖2所示。

　　其指向性圖形要遠好于任一款價(jià)格昂貴的高性能超心形麥克風(fēng)。

　　麥克風(fēng)陣列在1000Hz的典型指向性波束圖型

　　指向性指數

　　另一個(gè)表證波束的參數是指向性指數。指向性指數D表征的是麥克風(fēng)陣列主響應軸(波束軸線(xiàn))檢測到的聲源信號與需要屏蔽的各種噪聲與回聲信號的比值。

　　其中：

　　P(f, φ, θ)：聲源信號之聲能

　　ρ0：與參考點(diǎn)的平均距離)

　　(φT, θT)：與參考聲軸的角度

　　作為頻率函數的麥克風(fēng)陣列指向性圖案，剖面為水平方向

　　陣列指向性指數的比較

　　單只單指向麥克風(fēng)、雙麥克風(fēng)陣列、四麥克風(fēng)陣列指向性指數的比較圖表。從圖中可以看出雙麥克風(fēng)陣列、四麥克風(fēng)陣列依次較單指向麥克風(fēng)指向性指數有接近3dB、6dB以上的提升改進(jìn)。

　　采用麥克風(fēng)陣列后形成的波束3D效果