宽边麦克风阵列简介

您是否想过，即使有狗叫等背景噪音，您的电视或智能扬声器也能清楚地听到您的声音？这种定向音频之所以能够实现，是因为麦克风的排列方式。在本文中，我们将了解宽边麦克风阵列的概念及其在 MEMS 麦克风中的作用，它可以选择性地捕捉特定声源的声音。为了说明这些阵列是如何工作的，让我们考虑一下有人对着电视说话的情景。

宽边麦克风阵列是一种采用并排放置多个麦克风的设置，以增强指向性，实现更集中的声音捕捉。这种技术被称为波束成形，包括战略性地间隔麦克风，以放大来自特定方向的信号。在这种配置中，麦克风的排列方式使其拾取模式垂直于阵列的轴线。为了简化解释，我们以两个麦克风为例。

频率和阵列设计

在此示例中，我们看到有人使用宽边麦克风阵列对着电视讲话，该阵列由两个麦克风组成，专门用于从电视机前方获得定向音频。这种情况下的目标是让两个麦克风完全同步地捕捉声波，从而使所需声音的振幅加倍。这意味着，来自我们预期方向的声音应比来自左右两侧的声音放大一倍。这是因为当声音信号相同时，将它们相加会导致振幅加倍。就像数学中的两个相同的元素，如 1+1，结果就是 2。在宽边麦克风阵列中，这意味着将两个相同的波形加在一起，会将它们放大成一个振幅为两倍的波形。因此，虽然周围环境看起来同样嘈杂，但麦克风阵列却能有效捕捉到来自电视机前方的更大音量的波形信号。

现在，让我们来探讨一下，当声波到达麦克风时，如果它们不同步，定向音频会发生什么情况。在我们的例子中，有两个麦克风从电视机前面进行定向捕捉，让我们想象一下说话的人现在在电视机的左边，而不是前面。当说话的人从左侧对着电视说话时，他们产生的声波将首先到达左侧麦克风，然后到达右侧麦克风。波长到达的时间差会导致麦克风不同步，从而捕捉到不同的波形。产生这种差异的原因是一个麦克风在不同的时间采集到信号，从而抵消了倍增效应。由于波形不等，等式不再成立 1+1，从而导致声波没有加倍放大。这可以证明宽边阵列是有效的，因为当麦克风同步时，它可以从电视机前捕捉到更强的信号，从而有效地放大所需的声音。

虽然宽边麦克风阵列可以提供指向性音频，但也存在一定的挑战。在创建麦克风阵列时，麦克风之间的间距是一个重要的设计考虑因素，会产生频率依赖效应。较高的频率（如鸟鸣）会产生较短的波长，而较低的频率（如低音）则会产生较长的波长。距离很近的麦克风可能会有效捕捉到较高的声音，但却难以阻挡来自不需要的方向的较低频率。相反，如果麦克风之间的间距较大，则可能会有效提供低频声音的定向音频，但在处理高频声音时会遇到困难。宽边麦克风阵列可以提供指向性，但只能提供有限带宽的声音。阵列在音频频谱中提供指向性的位置取决于两个传声器之间所选择的间距。这一挑战凸显了仔细选择宽边传声器阵列设置的重要性，这取决于哪些频率需要有效的波束成形。重点是捕捉低频、中频还是高频？

要探索间距如何影响传声器阵列的指向性，您可以使用下面的交互式图表进行实验。只需调整滑块，即可修改宽边配置中两个全向麦克风之间的距离。当您进行更改时，图表将动态显示可视化极坐标图，说明对不同频率方向性的影响。当您修改间距时，请注意低频指向性的增强，因为它可能会影响高频性能，反之亦然。我们的目标是找到理想的间距，确保在整个频谱范围内都具有出色的指向性。您可能会发现这很困难！