麥克風(fēng)陣列的基本原理、結(jié)構(gòu)組成及聲學(xué)效果

　　麥克風(fēng)陣列具有對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)干擾噪聲很強(qiáng)的抑制作用，應(yīng)用于便攜IT設(shè)備如PDA、GPS、NB、手機(jī)等在較大噪聲環(huán)境中使用時(shí)表現(xiàn)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(nèi)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(hào)采集性，因此越來(lái)越受到聲學(xué)應(yīng)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(dá)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(shè)計(jì)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(duì)所有麥克風(fēng)信號(hào)的綜合處理，麥克風(fēng)陣列可以組合成為所要求的強(qiáng)指向性麥克風(fēng)，形成被稱為“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(qiáng)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(duì)位置的信息：

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

　　(2) 測(cè)量一對(duì)麥克風(fēng)同步采集信號(hào)相位差ΔΦ，根據(jù)頻率f和聲傳播速度C0得到這一對(duì)麥克風(fēng)的位置間隔：

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，相位法分析麥克風(fēng)相對(duì)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)陣列在搜索到講話者的位置之后可以將波束指向當(dāng)前的講話者。麥克風(fēng)陣列這種極強(qiáng)的智能指向性功能可以顯著降低周邊環(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)陣列接收講話者聲音效果的對(duì)比

　　陣列指向性

　　由于麥克風(fēng)陣列的輸出信號(hào)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(yuǎn)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(yuǎn)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(shù)

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

　　其中：

　　P(f, φ, θ)：聲源信號(hào)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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