一、什么是麥克風(fēng)？
麥克風(fēng)，學(xué)名“傳聲器”，是將聲音能量轉(zhuǎn)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(shù)，將聲音傳遞到音響設(shè)備、錄音系統(tǒng)、通信終端中，為信息傳播、藝術(shù)創(chuàng)作、科學(xué)研究創(chuàng)造了無限可能。
麥克風(fēng)根據(jù)轉(zhuǎn)換能原理分為：電動(dòng)式、電容式、壓電式等，應(yīng)用最廣泛的是電動(dòng)式和電容式兩大類；根據(jù)聲場(chǎng)可分為：自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)等。
傳統(tǒng)封裝的電容式麥克風(fēng)內(nèi)部構(gòu)造：
對(duì)于“寸土寸金”的電子設(shè)備，傳統(tǒng)封裝的麥克風(fēng)已無法滿足尺寸要求，由此誕生了MEMS（Micro-Electrical-Mechanical Systems 微機(jī)電系統(tǒng)）麥克風(fēng)，封裝小、功耗低，在頻響要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景下更有優(yōu)勢(shì)。
MEMS麥克風(fēng)：
二、為什么給麥克風(fēng)“組隊(duì)”？
單一的麥克風(fēng)方向性是固定的，理想的麥克風(fēng)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(gè)麥克風(fēng)組成空間陣列，聲波傳播到麥克風(fēng)陣列時(shí)，到達(dá)不同麥克風(fēng)的時(shí)間存在差異，通過算法處理就能得到聲源相對(duì)于麥克風(fēng)的到達(dá)方向和距離。
主流聲源定位算法：
要實(shí)現(xiàn)這些算法，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的麥克風(fēng)陣列，采集聲壓能量并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，常見的聲源定位系統(tǒng)包含麥克風(fēng)陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換終端、數(shù)據(jù)處理終端以及顯示交互終端：
三、麥克風(fēng)陣列該怎樣設(shè)計(jì)呢？
面對(duì)市面上五花八門的麥克風(fēng)陣列產(chǎn)品，相信很多讀者都會(huì)有這樣的疑問：
麥克風(fēng)通道數(shù)越多越好？
陣列排布越復(fù)雜越好？
陣列設(shè)計(jì)越緊湊越好？
麥克風(fēng)排布不是“隨便站隊(duì)”，而是用科學(xué)的陣型，讓每個(gè)麥克風(fēng)都成為破解空間聲場(chǎng)的“關(guān)鍵棋子”。陣列的參數(shù)有麥克風(fēng)數(shù)量、陣元間距以及空間分布形式，評(píng)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(duì)于一維線性陣列，隨著麥克風(fēng)陣元個(gè)數(shù)N的增加，主瓣波束越窄，指向性越強(qiáng)：
而隨著麥克風(fēng)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(qiáng)（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(shí)，主旁瓣差距越大，指向性與抗干擾能力越強(qiáng)：
對(duì)于不同的麥克風(fēng)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(píng)估適合的麥克風(fēng)陣型。
矩形陣列：
隨機(jī)陣列：
螺旋陣列：
通過幾種二維平面陣列的對(duì)比可以看出：通道數(shù)接近時(shí)，螺旋陣列通過非均勻密度分布與數(shù)學(xué)優(yōu)化幾何排布的方式，能達(dá)到寬頻段覆蓋范圍，柵瓣抑制效果更好，抗干擾能力強(qiáng)，且陣型結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)律，硬件實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單。
環(huán)形麥克風(fēng)陣列/波束圖：
螺旋麥克風(fēng)陣列/波束圖：
對(duì)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(shì)，而堆砌麥克風(fēng)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(huì)越窄，能量匯聚的效果越好。
麥克風(fēng)數(shù)量真的“多多益善”嗎？
對(duì)于N個(gè)全向麥克風(fēng)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(fēng)數(shù)量關(guān)系繪制成一張圖表：
這意味著麥克風(fēng)數(shù)量到達(dá)一定量級(jí)后，增加數(shù)量得來的收益會(huì)越來越少，而且單純地增加麥克風(fēng)數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致硬件復(fù)雜度飆升，算法計(jì)算量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
總結(jié)
設(shè)計(jì)陣列時(shí)，需要兼顧目標(biāo)頻段、分辨率等，與硬件成本、實(shí)現(xiàn)難度的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)聲源定位效果。
四、麥克風(fēng)陣列應(yīng)用場(chǎng)景？
麥克風(fēng)陣列廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)故障診斷、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，其核心能力包括聲源定位、噪聲抑制和語音增強(qiáng)。
如下是我司基于麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位應(yīng)用的部分產(chǎn)品：
1、手持式聲學(xué)成像儀
基于陣列波束成形技術(shù)和圖聲融合成像技術(shù)研發(fā)，具備超聲成像、泄露檢測(cè)、PRPD局放模式、聲源識(shí)別等功能：
2、固定式聲學(xué)成像儀
結(jié)合云臺(tái)進(jìn)行全視角聲學(xué)成像，通過網(wǎng)絡(luò)與控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要應(yīng)于氣體泄漏檢測(cè)、電力設(shè)備局部放電檢測(cè)等場(chǎng)景，儀器自動(dòng)執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)、超標(biāo)抓拍等功能。全采用全鋁機(jī)殼，整機(jī)IP65防護(hù)等級(jí)，可長(zhǎng)期戶外部署：
3、移動(dòng)式聲學(xué)成像儀
極小尺寸陣列，陣元間距緊湊，儀器體積小巧，結(jié)合機(jī)器狗或各類巡檢機(jī)器人，采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可用于多場(chǎng)景故障巡檢：
4、聲探測(cè)陣列
采用高靈敏度數(shù)字麥克風(fēng)，陣列尺寸600mm，適合遠(yuǎn)距離探測(cè)，可探測(cè)大于500米的距離，可應(yīng)用于固定點(diǎn)位故障監(jiān)測(cè)、低空飛行器軌跡探測(cè)：
5、電容式麥克風(fēng)陣列
手持式電容麥克風(fēng)陣列，搭配我司AWA144XX 系列測(cè)量傳聲器，頻率響應(yīng)更優(yōu)，適合精度要求更高的科研領(lǐng)域：
結(jié)語
麥克風(fēng)陣列只是聲源定位領(lǐng)域的“排頭兵”，通過更加深入復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)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。
