麦克风阵列入门

什么是麦克风阵列



所谓麦克风阵列其实就是一个声音采集的系统，该系统使用多个麦克风采集来自于不同空间方向的声音。由一定数目的声学传感器(一般是麦克风)组成，用来对声场的空间特性进行采样并处理的系统。

早在20世纪70、80年代，麦克风阵列已经被应用于语音信号处理的研究中，进入90年代以来，基于麦克风阵列的语音信号处理算法逐渐成为一个新的研究热点。而到了“声控时代”，这项技术的重要性显得尤为突出。

为什么使用麦克风阵列

麦克风按照指定要求排列后，加上相应的算法（排列+算法）就可以解决很多房间声学问题，比如声源定位、去混响、语音增强、盲源分离等。

什么是麦克风的指向性（方向性）

麦克风的方向性是指麦克风可以接收到语音的方向。声音可以从不同的方向传达到麦克风，麦克风的前面/后面/侧面，麦克风将会根据自身的指向性来获取声音。

一个麦克风可以以很高的灵敏度接收来自于前方的声音，而不管后方和侧面的声音，另一个麦克风还可以接收来自于前面和后面的声音，而不管侧面的，有很多种组合。

什么是指向性麦克风

所谓指向性麦克风是指麦克风要么接收来自于指定方向的声音，要么接收所有角度传来的声音，这取决于麦克风的自身指向属性。



常用的指向性麦克风：

Part.1

全向麦克风

有些麦克风接收来自于任何方向的声音，这种麦克风叫做全向麦克风（omnidirectional microphones）。不管说话的人在哪里对着麦克风说话，前后左右，从0°到360°，所有的这些声音都会以相同的灵敏度被拾取。

Part.2

单向麦克风

其他的一些麦克风是单向的（ unidirectional），他们仅仅接收从指定方向来的声音。当人们对着单向麦克风说话时，要慎重选择对着麦克风的方向。我们必须要对着“接收方向”说话来获得更好的声音增益，任何不同于此方向的声音都会被削弱接收，这也就意味着增益很小。

Part.3

双向麦克风

另外一种麦克风叫做双向麦克风（bidirectional microphone），这种麦克风可以很好的接收来自于前向和后向的声音，但是两侧的声音增益很小。他在隔膜的相对两侧拾取具有相等灵敏度的声波，与隔膜成直角的指向null。

Part.4

心型麦克风

另外一种是心型麦克风（ cardioid microphone），它可以接收来自于前方和两侧的声音，但是后面的声音的增益很小。事实上，他们名字来源于他们的声音拾取方向，非常的像一个心。

注意：

这里没有任何一种麦克风可以说比别的怎么怎么好，不同种类的麦克风在不同的使用环境下有各自的优缺点。从上面看起来，全向麦克风比其他的要好，因为它可以接收来自于所有方向的声音而不是仅仅一个方向，但是试想如果在一个比较嘈杂的环境下，全向麦克风是一个比较low的选择，因为除了我们所需要的声音外，他还录了周围的噪音。在这种环境下，指向性（非全指向性麦克风）麦克风可能会更好，因为他在获取我们所需要方向的声音外，对其他方向的声音进行了压制，使得噪声的增益非常少。所以，这些麦克风的好坏取决于用的环境。

阵列介绍



在频率响应中也可以根据时域中波束形成与空间滤波器相仿的应用，分析出接收到语音信号音源的方向以及其变化。而这些分析都可以由极坐标图以波束形式来显示语音信号的强度与角度。

通常在手机（如苹果iPhone、三星Galaxy系列等）和电脑（如联想小Y系列等）中常采用。采用该技术，能利用两个麦克风接收到声波的相位之间的差异对声波进行过滤，能最大限度将环境背景声音清除掉，只剩下需要的声波。对于在嘈杂的环境下采用这种配置的设备，无杂音。

麦克风阵列与天线阵列是不同的。

麦克风阵列原理

1麦克风阵列

麦克风阵列，是一组位于空间不同位置的全向麦克风按一定的形状规则布置形成的阵列，是对空间传播声音信号进行空间采样的一种装置，采集到的信号包含了其空间位置信息。根据声源和麦克风阵列之间距离的远近，可将阵列分为近场模型和远场模型。根据麦克风阵列的拓扑结构，则可分为线性阵列、平面阵列、体阵列等。

(1) 近场模型和远场模型

根据声源和麦克风阵列距离的远近，可将声场模型分为两种：近场模型和远场模型。近场模型将声波看成球面波，它考虑麦克风阵元接收信号间的幅度差；远场模型则将声波看成平面波，它忽略各阵元接收信号间的幅度差，近似认为各接收信号之间是简单的时延关系。显然远场模型是对实际模型的简化，极大地简化了处理难度。一般语音增强方法就是基于远场模型。

(1) 麦克风阵列拓扑结构

按麦克风阵列的维数，可分为一维、二维和三维麦克风阵列。

一维麦克风阵列，即线性麦克风阵列，其阵元中心位于同一条直线上。二维麦克风阵列，即平面麦克风阵列，其阵元中心分布在一个平面上。三维麦克风阵列，即立体麦克风阵列，其阵元中心分布在立体空间中。

2波束形成

波束形成，是对各阵元的输出进行时延或相位补偿、幅度加权处理，以形成指向特定方向的波束。阵列的波束方向图是确定阵列性能的关键要素，其主要参数有3dB带宽，到第一零点的距离，第一旁瓣高度，旁瓣衰减速度等。其幅度的平方定义为功率方向图，是常用的一种阵列性能度量。

3时延补偿

由于麦克风阵元空间位置的差异，各阵元接收到的信号存在时延，在对信号处理之前进行时延补偿，保证各阵元待处理数据的一致性，使阵列指向期望方向。