麥克風(fēng)陣列波束成形與垂射陣列（一）

所有的MEMS麥克風(fēng)都擁有全指向拾音，也就是說(shuō)它可以均勻的全方向收音。多個(gè)麥克風(fēng)，可以形成一個(gè)陣列以形成方向相應(yīng)或者波束形成（Beam Pattern）。麥克風(fēng)陣列可以設(shè)計(jì)成針對(duì)某個(gè)或者某幾個(gè)方向的聲源更敏感。

麥克風(fēng)陣列是個(gè)復(fù)雜的課題，我們接下來(lái)的探討將集中在基本概念，以及陣列構(gòu)型上，主要是垂射陣列（Broadside Array），端射陣列（Endfire Array），并包含了設(shè)計(jì)思考，空間頻率響應(yīng)，以及不同陣列的優(yōu)缺點(diǎn)。

方向感知&極坐標(biāo)圖（Directionality&Polar Plots）

方向感知，解釋了一種模式，當(dāng)在一個(gè)無(wú)回聲的房間中，聲源的位置變換時(shí)，麥克風(fēng)或者陣列輸出電平變換。這里我們介紹的MEMS麥克風(fēng)，均是全方向的，也就是說(shuō)忽略麥克風(fēng)的位置，他們可以對(duì)全方向聲音信息保持足夠敏感性。圖二的二軸極坐標(biāo)圖，展示了一個(gè)全方位指向性麥克風(fēng)的響應(yīng)。不論麥克風(fēng)端口位置是否調(diào)整，在x-y,y-z,x-z的直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)圖不受影響。

在這份說(shuō)明里，在同軸的方向既是預(yù)設(shè)的拾音方向，并在極坐標(biāo)圖中標(biāo)記為0°，180°即為后方，同時(shí)，兩邊，即為位于90°和270°的位置。所有的極坐標(biāo)，包含此類應(yīng)用，都用0°標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)明。

所有涉及聲音頻率以及波長(zhǎng)的計(jì)算公式，都基于c=f*λ，20攝氏度的空氣中傳播速率c=343米/秒，圖一展示了頻率以及波長(zhǎng)，在此環(huán)境下的關(guān)系。

Broadside Arrays垂射陣列

垂射陣列，是指排列一隊(duì)的麥克風(fēng)，與優(yōu)先聲源方向垂直（如圖三）d是指兩麥之間的距離，垂直面既是預(yù)判的聲源方向。

垂射陣列的基本實(shí)現(xiàn)：陣列里面的麥克風(fēng)視為一體，這種陣列的缺點(diǎn)是，它只能減弱來(lái)自陣列一側(cè)的聲音。因?yàn)槌奢S對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此麥克風(fēng)收聲，自前后的聲音產(chǎn)生的后置響應(yīng)與前置響應(yīng)沒(méi)有區(qū)別。此類陣列多用于，沒(méi)有其他來(lái)自背面?zhèn)让婧偷酌娴碾s音，比如掛壁電視機(jī)。

在雙麥麥克風(fēng)陣列里，在90°和270°，會(huì)存在兩個(gè)極小值。在這兩個(gè)點(diǎn)，信號(hào)的衰減量，是與頻率正相關(guān)的。當(dāng)入射頻率的半波長(zhǎng)接近麥克風(fēng)之間的距離時(shí)，響應(yīng)接近完全抵消。當(dāng)雙麥的距離75mm時(shí)，理論上，在2.3Khz時(shí)，會(huì)有一個(gè)完美的零。(343 m/sec ÷ (0.075 m × 2) ≈ 2.3 kHz).

除了在理想衰減發(fā)生的頻率下，其他情況下，頻率將混疊，極性響應(yīng)（Polar response）開(kāi)始在其他角度顯示為零。在這一點(diǎn)，側(cè)面的衰減又開(kāi)始減小。例如，在圖4中，3khz信號(hào)(淡藍(lán)色線)正在被混疊。

Frequency Response頻率響應(yīng)

橫向波束形成器在軸上具有平坦的頻率響應(yīng)，因?yàn)樗皇呛?jiǎn)單地將接收到相同信號(hào)的兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)相加。圖5顯示了間距為75mm的2麥克風(fēng)寬邊波束形成器的歸一化響應(yīng)。軸外，此圖清楚地顯示了響應(yīng)中的空值。

更多元素的垂射陣列

還可以通過(guò)簡(jiǎn)單地按照原始的兩個(gè)麥克風(fēng)添加額外的麥克風(fēng)來(lái)構(gòu)造包含兩個(gè)以上元素的側(cè)面陣列，如圖6所示。在寬頻帶陣列中使用更多的麥克風(fēng)可以實(shí)現(xiàn)陣列兩側(cè)聲音的更大衰減。圖7顯示了一個(gè)3麥克風(fēng)寬陣列的響應(yīng)，該陣列的元素之間的間距為75mm。在這個(gè)陣列中，側(cè)面的聲音衰減了6分貝，而在2麥克風(fēng)的側(cè)面陣列中，只衰減了3分貝。然而，混疊(三葉草模式)發(fā)生在更低的頻率，因?yàn)樗性刂g的總距離已經(jīng)從75毫米增加到150毫米。