波束成形陣列技術(shù)可以追溯到100多年前，首次應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，用于測(cè)定飛機(jī)，船舶和潛艇的方位和位置。直到1970年代中期，當(dāng)微處理器被廣泛使用，這種技術(shù)還是100％聲學(xué)的和相當(dāng)原始的。但現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)極大地促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。依托良好的設(shè)計(jì)和工藝水平，現(xiàn)在能夠采用先進(jìn)的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)捕獲所需的聲音，并產(chǎn)生高度清晰和卓越品質(zhì)的音頻信號(hào)。

如我們所知道的空間濾波一樣，波束成形也支持聲波和無(wú)線電能量這兩種應(yīng)用，因此在蜂窩電話，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，生物醫(yī)藥，聲納，地震學(xué)，甚至無(wú)線電電天文學(xué)的相關(guān)文章中有時(shí)也被討論。

>>>> 聲學(xué)波束成形理論

華盛頓大學(xué)研究員應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室安德魯A.甘澤解釋說(shuō)，“波束成形的基本觀點(diǎn)是，當(dāng)你布置了多個(gè)相鄰的傳感器發(fā)送信號(hào)（或監(jiān)聽(tīng)聲波）時(shí)，你會(huì)得到一種干涉圖樣，就像你扔了一些石子在池塘里立刻看到的波紋，會(huì)建立干擾漣漪。 如果您選擇的傳感器和傳感器信號(hào)延遲的間隔時(shí)間恰到好處，你就可以得到一個(gè)干涉圖樣，特別是能觀察到其中的大部分信號(hào)能量全部消耗在一個(gè)特定的方向�！�

通過(guò)相位陣列中元素的結(jié)合（比如，天線或麥克風(fēng)），這樣，在特定的角度信號(hào)經(jīng)歷相長(zhǎng)干涉，如遇到破壞性的干擾時(shí)，波束成形可用于實(shí)現(xiàn)空間選擇性和消除不需要的信號(hào)。

波束成形麥克風(fēng)是麥克風(fēng)家族中的一員，由于其驚艷的聲音質(zhì)量，先進(jìn)的性能和相控陣?yán)走_(dá)的相似性，被認(rèn)為是高指向性或者超指向性麥克風(fēng)。

音頻的專業(yè)人士都知道，全向麥克風(fēng)會(huì)拾取來(lái)自四面八方的聲音。全向麥克風(fēng)的缺點(diǎn)是，他們往往導(dǎo)致聲音是混響，或空洞，并且包含著一個(gè)房間里各個(gè)方向的環(huán)境噪音。20世紀(jì)40年底就流行的心形麥克風(fēng)，作為指向性麥克風(fēng)的一種，在今天依然普遍應(yīng)用。 心型話麥克風(fēng)的聲音混響和噪聲都比全向麥克風(fēng)小，因?yàn)樗鼈儨p少了側(cè)面后面的反射音和噪聲對(duì)聲音拾取的影響。 但是心形麥克風(fēng)可選擇性有限，以及濾波能力較低，這些都被波束成形技術(shù)超越。

▲波束成形麥克風(fēng)模式
 

傳統(tǒng)的定向麥克風(fēng)可能在會(huì)議應(yīng)用中可以用于執(zhí)行有限的空間濾波，以改善音頻質(zhì)量。這些麥克風(fēng)有一個(gè)聲學(xué)特點(diǎn)即有選擇性地拾取空間中的某一個(gè)區(qū)域的聲波，并拒絕其他。

波束成形技術(shù)可以用來(lái)選擇，或集中在那些只想讓與會(huì)者聽(tīng)到的聲音，而拒絕所有不需要的聲音。選擇所需的聲源，拒絕無(wú)關(guān)的聲音一直是大多數(shù)音頻工程師的目標(biāo)。通過(guò)先進(jìn)的微處理器把聲學(xué)波束成形技術(shù)和和集成的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)合在一起，這是目前技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的。波束成形就是這種信號(hào)處理技術(shù)，處理那些從波束成形麥克風(fēng)陣列采集到的信號(hào)。從各麥克風(fēng)單元采集的信號(hào)會(huì)被篩選被組合，對(duì)一些在特定角度的信號(hào)進(jìn)行相長(zhǎng)干涉，而其他干擾信號(hào)將被濾除。

波束成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的空間選擇性，使某些區(qū)域的信號(hào)（聲音方向）被放大，而其他區(qū)域的信號(hào)顯著減弱。波束成形處理部件還可以被配置，以衰減一些其他方向（比如門(mén)或窗）進(jìn)入房間的噪聲。

波束成形陣列系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整相位和到達(dá)各麥克風(fēng)聲音的振幅，創(chuàng)建波前相長(zhǎng)相消的模式，來(lái)調(diào)節(jié)和調(diào)整麥克風(fēng)陣列聚焦于期望聲音的方向性。不同麥克風(fēng)的信息被合并分析，使得預(yù)設(shè)的聲學(xué)模式被優(yōu)先處理，并應(yīng)用到音頻會(huì)議系統(tǒng)中。

先進(jìn)的波束成形技術(shù)采用干擾模式來(lái)改變陣列的方向性，所以從各個(gè)麥克風(fēng)所收集的信息可以被組合以優(yōu)先考慮預(yù)期的聲學(xué)模式。自適應(yīng)波束成形算法也可以自動(dòng)適應(yīng)不同的聲學(xué)環(huán)境。

目前最先進(jìn)的視頻會(huì)議和電話會(huì)議系統(tǒng)均采用專業(yè)設(shè)計(jì)的波束成形麥克風(fēng)陣列和相關(guān)的組件和處理器。
 
>>>> 波束成形技術(shù)在會(huì)議應(yīng)用的興起

在音頻/視頻會(huì)議系統(tǒng)中，通常的做法是部署一組心型麥克風(fēng)，放置在桌面上，或安裝在天花板上。當(dāng)每一個(gè)定向麥克風(fēng)正確對(duì)準(zhǔn)發(fā)言者，并連接到一個(gè)專業(yè)的音頻處理器，即可實(shí)現(xiàn)出色的拾音效果。類似的結(jié)果也可以用無(wú)線領(lǐng)夾或手持麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)。

董事會(huì)議室這樣的環(huán)境中，經(jīng)常希望維持一個(gè)整潔干凈的環(huán)境，積極向上企業(yè)形象，如把話筒放在桌面或懸掛在天花板有可能破壞室內(nèi)設(shè)計(jì)的審美目標(biāo)。集成了3個(gè)麥克風(fēng)的麥克風(fēng)陣列可以有效減少麥克風(fēng)元件的數(shù)量，但仍然很難隱藏，無(wú)法提供一種超潔凈又美觀的整體外觀。

其他桌面和天花板麥克風(fēng)的缺點(diǎn)包括必須有額外的工作去管理眾多的話筒，例如檢查無(wú)線電池和聲音電平，擔(dān)心講者是否開(kāi)啟了話筒，環(huán)境噪音是否進(jìn)入系統(tǒng)，并不斷優(yōu)化調(diào)音臺(tái)的水平。此外還有一些麥克風(fēng)安裝座，支架，電纜，安裝和維護(hù)的成本。

對(duì)比之下，一個(gè)現(xiàn)代化的波束成形麥克風(fēng)陣列提供了極大的便利，語(yǔ)音清晰，音質(zhì)卓越，以及可靠的通信。波束成形陣列安裝后不易被注意，可以很好的隱藏在房間的背景中，既美觀又實(shí)用。

當(dāng)波束成形麥克風(fēng)陣列安裝在會(huì)議桌或天花板或墻壁上，其中數(shù)組麥克風(fēng)單元，相關(guān)的轉(zhuǎn)向算法，數(shù)字信號(hào)處理和回聲消除可以“放大”特定發(fā)言者的聲學(xué)增益，并提供完善的音頻質(zhì)量，這是優(yōu)于傳統(tǒng)會(huì)議室的拾音系統(tǒng)。

聲明：本公眾號(hào)轉(zhuǎn)載此文章出于非商業(yè)性的教育和科普目的，并不意味著支持其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。版權(quán)歸原作者所有，如轉(zhuǎn)載文章涉及版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)立即聯(lián)系我們，我們會(huì)予以更改或刪除，保證您的權(quán)利！