一、什么是麥克風？
麥克風，學名“傳聲器”，是將聲音能量轉換為電能量或其他能量形式的電聲器件，可以代替人耳“聆聽”聲音，通過線纜或無線傳輸技術，將聲音傳遞到音響設備、錄音系統(tǒng)、通信終端中，為信息傳播、藝術創(chuàng)作、科學研究創(chuàng)造了無限可能。
麥克風根據(jù)轉換能原理分為：電動式、電容式、壓電式等，應用最廣泛的是電動式和電容式兩大類；根據(jù)聲場可分為：自由場、壓力場和擴散場等。
傳統(tǒng)封裝的電容式麥克風內(nèi)部構造：
對于“寸土寸金”的電子設備，傳統(tǒng)封裝的麥克風已無法滿足尺寸要求，由此誕生了MEMS（Micro-Electrical-Mechanical Systems 微機電系統(tǒng)）麥克風，封裝小、功耗低，在頻響要求較低的應用場景下更有優(yōu)勢。
MEMS麥克風：
二、為什么給麥克風“組隊”？
單一的麥克風方向性是固定的，理想的麥克風工作在全向模式，無法通過聲音獲取有效的位置信息；而使用多個麥克風組成空間陣列，聲波傳播到麥克風陣列時，到達不同麥克風的時間存在差異，通過算法處理就能得到聲源相對于麥克風的到達方向和距離。
主流聲源定位算法：
要實現(xiàn)這些算法，就需要設計相應的麥克風陣列，采集聲壓能量并轉化為數(shù)字信號，常見的聲源定位系統(tǒng)包含麥克風陣列、模數(shù)轉換終端、數(shù)據(jù)處理終端以及顯示交互終端：
三、麥克風陣列該怎樣設計呢？
面對市面上五花八門的麥克風陣列產(chǎn)品，相信很多讀者都會有這樣的疑問：
麥克風通道數(shù)越多越好？
陣列排布越復雜越好？
陣列設計越緊湊越好？
麥克風排布不是“隨便站隊”，而是用科學的陣型，讓每個麥克風都成為破解空間聲場的“關鍵棋子”。陣列的參數(shù)有麥克風數(shù)量、陣元間距以及空間分布形式，評估陣列性能優(yōu)劣的參數(shù)有指向性、波束寬度、旁瓣抑制等。
陣列根據(jù)空間特征分為一維線性陣列、二維平面陣列以及三維陣列，二維平面陣列中常用的有環(huán)形陣列、矩形陣列、十字陣列、螺旋陣列等。
對于一維線性陣列，隨著麥克風陣元個數(shù)N的增加，主瓣波束越窄，指向性越強：
而隨著麥克風陣元間距D的增加，主旁瓣的差距越大，旁瓣衰減越快，指向性越強（為了避免柵瓣出現(xiàn)，陣元間距被限制在1/2λ內(nèi)）：
由于維度限制，一維線性陣列無法提供聲源在垂直于陣列平面方向的任何信息，為提高空間分辨能力，將陣列拓展到二維平面。
以常見的二維平面環(huán)形陣列為例，聲源頻率越高，方向圖衰減越快，定位效果越好：
保持環(huán)形陣列陣元半徑不變，通道數(shù)量增多時，主旁瓣差距越大，指向性與抗干擾能力越強：
對于不同的麥克風排布，不同頻段內(nèi)定位效果也存在差異，一般根據(jù)需要評估適合的麥克風陣型。
矩形陣列：
隨機陣列：
螺旋陣列：
通過幾種二維平面陣列的對比可以看出：通道數(shù)接近時，螺旋陣列通過非均勻密度分布與數(shù)學優(yōu)化幾何排布的方式，能達到寬頻段覆蓋范圍，柵瓣抑制效果更好，抗干擾能力強，且陣型結構相對規(guī)律，硬件實現(xiàn)更加簡單。
環(huán)形麥克風陣列/波束圖：
螺旋麥克風陣列/波束圖：
對于相同的陣型排布，通道數(shù)量越多，主瓣越窄，分辨率越高。
通過以上這些案例，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的陣列排布類型，在不同的頻段存在各自的優(yōu)勢，而堆砌麥克風數(shù)量似乎是筆穩(wěn)賺不賠的買賣：陣元越多，可形成的波束會越窄，能量匯聚的效果越好。
麥克風數(shù)量真的“多多益善”嗎？
對于N個全向麥克風組成的陣列，在各向同性噪聲環(huán)境下，理論最大增益為：
將增益與麥克風數(shù)量關系繪制成一張圖表：
這意味著麥克風數(shù)量到達一定量級后，增加數(shù)量得來的收益會越來越少，而且單純地增加麥克風數(shù)量，會導致硬件復雜度飆升，算法計算量指數(shù)級增長。
總結
設計陣列時，需要兼顧目標頻段、分辨率等，與硬件成本、實現(xiàn)難度的關系，實現(xiàn)最優(yōu)聲源定位效果。
四、麥克風陣列應用場景？
麥克風陣列廣泛應用于科學研究、工業(yè)故障診斷、環(huán)境噪聲監(jiān)測等領域，其核心能力包括聲源定位、噪聲抑制和語音增強。
如下是我司基于麥克風陣列進行聲源定位應用的部分產(chǎn)品：
1、手持式聲學成像儀
基于陣列波束成形技術和圖聲融合成像技術研發(fā)，具備超聲成像、泄露檢測、PRPD局放模式、聲源識別等功能：
2、固定式聲學成像儀
結合云臺進行全視角聲學成像，通過網(wǎng)絡與控制終端進行數(shù)據(jù)交互，主要應于氣體泄漏檢測、電力設備局部放電檢測等場景，儀器自動執(zhí)行監(jiān)測任務、超標抓拍等功能。全采用全鋁機殼，整機IP65防護等級，可長期戶外部署：
3、移動式聲學成像儀
極小尺寸陣列，陣元間距緊湊，儀器體積小巧，結合機器狗或各類巡檢機器人，采用無線方式進行數(shù)據(jù)交互，可用于多場景故障巡檢：
4、聲探測陣列
采用高靈敏度數(shù)字麥克風，陣列尺寸600mm，適合遠距離探測，可探測大于500米的距離，可應用于固定點位故障監(jiān)測、低空飛行器軌跡探測：
5、電容式麥克風陣列
手持式電容麥克風陣列，搭配我司AWA144XX 系列測量傳聲器，頻率響應更優(yōu)，適合精度要求更高的科研領域：
結語
麥克風陣列只是聲源定位領域的“排頭兵”，通過更加深入復雜的信號處理技術和優(yōu)化方法，可以得到更出色的性能，保障算法處理的效果。
