適用于企業(yè)會議室的先進(jìn)的波束成形麥克風(fēng)陣列技術(shù)

劉江

摘要

波束成形陣列技術(shù)可以追溯到100多年前，首次應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，用于測定飛機，船舶和潛艇的方位和位置。直到1970年代中期，當(dāng)微處理器被廣泛使用，這種技術(shù)還是100%聲學(xué)的和相當(dāng)原始的。但現(xiàn)代軟件開發(fā)和數(shù)字信號處理技術(shù)極大地促進(jìn)了這項技術(shù)的發(fā)展。依托良好的設(shè)計和工藝水平，現(xiàn)在能夠采用先進(jìn)的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)捕獲所需的聲音，并產(chǎn)生高度清晰和卓越品質(zhì)的音頻信號。

像我們所知道的空間濾波一樣，波束成形也支持聲波和無線電能量這兩種應(yīng)用，因此在蜂窩電話、無線網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)藥、聲納、地震學(xué)，甚至無線電天文學(xué)的相關(guān)文章中有時也被討論。

本文對波束成形技術(shù)只關(guān)注其作為在視頻會議和電話會議應(yīng)用中一種傳感和過濾聲波的方式，并介紹了新興的工藝和技術(shù)如何改善會議室的聲學(xué)采集和處理，以提高語音的清晰度。

聲學(xué)波束成形理論

華盛頓大學(xué)研究員應(yīng)用物理實驗室安德魯A.甘澤解釋說：“波束成形的基本觀點是，當(dāng)你布置了多個相鄰的傳感器發(fā)送信號或監(jiān)聽聲波時，你會得到一種干涉圖樣，就像你扔了一些石子在池塘里立刻看到的波紋，會建立干擾漣漪。如果您選擇的傳感器和傳感器信號延遲的間隔時間恰到好處，你就可以得到一個干涉圖樣，特別是能觀察到其中的大部分信號能量全部消耗在一個特定的方向?！?/p>

通過相位陣列中元素的結(jié)合（比如，天線或麥克風(fēng)），這樣，在特定的角度信號經(jīng)歷相長干涉，如遇到破壞性的干擾時，波束成形可用于實現(xiàn)空間選擇性和消除不需要的信號。

波束成形麥克風(fēng)是麥克風(fēng)家族中的一員，由于其驚艷的聲音質(zhì)量，先進(jìn)的性能和相控陣?yán)走_(dá)的相似性，被認(rèn)為是高指向性或者超指向性麥克風(fēng)。

音頻專業(yè)人士都知道，全向麥克風(fēng)會拾取來自四面八方的聲音。全向麥克風(fēng)的缺點是，他們往往導(dǎo)致聲音是混響，或空洞，并且包含著一個房間里各個方向的環(huán)境噪音。20世紀(jì)40年底就流行的心形麥克風(fēng)，作為指向性麥克風(fēng)的一種，在今天依然普遍應(yīng)用。心型麥克風(fēng)的聲音混響和噪聲都比全向麥克風(fēng)小，因為它們減少了側(cè)面后面的反射音和噪聲對聲音拾取的影響。但是心形麥克風(fēng)可選擇性有限，并且濾波能力較低，這些都被波束成形技術(shù)超越。

傳統(tǒng)的定向麥克風(fēng)可能在會議應(yīng)用中用于執(zhí)行有限的空間濾波，以改善音頻質(zhì)量。這些麥克風(fēng)有一個聲學(xué)特點，即有選擇性地拾取空間中的某一個區(qū)域的聲波，并拒絕其他。

波束成形技術(shù)可以用來選擇，或集中在那些只想讓與會者聽到的聲音，而拒絕所有不需要的聲音。選擇所需的聲源，拒絕無關(guān)的聲音一直是大多數(shù)音頻工程師的目標(biāo)。通過先進(jìn)的微處理器把聲學(xué)波束成形技術(shù)和集成的數(shù)字信號處理結(jié)合在一起，這是目前技術(shù)上可實現(xiàn)的。波束成形就是這種信號處理技術(shù)，處理那些從波束成形麥克風(fēng)陣列采集到的信號。從各麥克風(fēng)單元采集的信號會被篩選被組合，對一些在特定角度的信號進(jìn)行相長干涉，而其他干擾信號將被濾除。

波束成形技術(shù)可實現(xiàn)優(yōu)越的空間選擇性，使某些區(qū)域的信號（聲音方向）被放大，而其他區(qū)域的信號顯著減弱。波束成形處理部件還可以被配置，以衰減一些其他方向（比如門或窗）進(jìn)入房間的噪聲。

波束成形陣列系統(tǒng)通過調(diào)整相位和到達(dá)各麥克風(fēng)聲音的振幅，創(chuàng)建波前相長相消的模式，來調(diào)節(jié)和調(diào)整麥克風(fēng)陣列聚焦于期望聲音的方向性。不同麥克風(fēng)的信息被合并分析，使得預(yù)設(shè)的聲學(xué)模式被優(yōu)先處理，并應(yīng)用到音頻會議系統(tǒng)中。

先進(jìn)的波束成形技術(shù)采用干擾模式來改變陣列的方向性，所以從各個麥克風(fēng)所收集的信息可以被組合以優(yōu)先考慮預(yù)期的聲學(xué)模式。自適應(yīng)波束成形算法也可以自動適應(yīng)不同的聲學(xué)環(huán)境。

目前最先進(jìn)的視頻會議和電話會議系統(tǒng)均采用專業(yè)設(shè)計的波束成形麥克風(fēng)陣列和相關(guān)的組件和處理器。

波束成形技術(shù)在會議應(yīng)用的興起

在音頻/視頻會議系統(tǒng)中，通常的做法是部署一組心型麥克風(fēng)，放置在桌面上，或安裝在天花板上。當(dāng)每一個定向麥克風(fēng)正確對準(zhǔn)發(fā)言者，并連接到一個專業(yè)的音頻處理器，即可實現(xiàn)出色的拾音效果。類似的結(jié)果也可以用無線領(lǐng)夾或手持麥克風(fēng)實現(xiàn)。

在像董事會議室這樣的環(huán)境中，經(jīng)常希望維持一個整潔干凈的環(huán)境，積極向上的企業(yè)形象，如把話筒放在桌面或懸掛在天花板有可能破壞室內(nèi)設(shè)計的審美目標(biāo)。集成了3個麥克風(fēng)的麥克風(fēng)陣列可以有效減少麥克風(fēng)元件的數(shù)量，但仍然很難隱藏，無法提供一種超潔凈又美觀的整體外觀。

其他桌面和天花板麥克風(fēng)的缺點包括必須有額外的工作人員去管理眾多的話筒，例如檢查無線電池和聲音電平，擔(dān)心講者是否開啟了話筒，環(huán)境噪音是否進(jìn)入系統(tǒng)，并不斷優(yōu)化調(diào)音臺的水平。此外，還有一些麥克風(fēng)安裝座，支架，電纜，安裝和維護(hù)的成本。

相比之下，一個現(xiàn)代化的波束成形麥克風(fēng)陣列提供了極大的便利，語音清晰，音質(zhì)卓越，以及可靠的通信。波束成形陣列安裝后不易被注意，可以很好地隱藏在房間的背景中，既美觀又實用。

當(dāng)波束成形麥克風(fēng)陣列安裝在會議桌或天花板或墻壁上，其中數(shù)組麥克風(fēng)單元，相關(guān)的轉(zhuǎn)向算法，數(shù)字信號處理和回聲消除可以“放大”特定發(fā)言者的聲學(xué)增益，并提供完善的音頻質(zhì)量，這是優(yōu)于傳統(tǒng)會議室的拾音系統(tǒng)。

全球首個專業(yè)級，24個單元波束成形麥克風(fēng)陣列

ClearOne 24單元波束成形麥克風(fēng)陣列，作為專業(yè)音頻行業(yè)第一個此類解決方案，大大促進(jìn)了現(xiàn)代會議室聲學(xué)技術(shù)、數(shù)字信號處理和室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的完美結(jié)合。

ClearOne將波束成形技術(shù)，數(shù)字信號處理，自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及新一代的聲學(xué)回聲消除技術(shù)組合在一起，24單元波束成形麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)突破性地實現(xiàn)了音頻會議系統(tǒng)的全集成，包括麥克風(fēng)單元，板載處理，先進(jìn)的軟件和連接的專業(yè)數(shù)字音頻矩陣。

一個會議室中多達(dá)10個傳統(tǒng)的麥克風(fēng)可以被移除，由外形時尚的波束成形麥克風(fēng)陣列所替代。同時其智能的空間濾波系統(tǒng)，綜合的信號處理能力和優(yōu)于其他麥克風(fēng)2倍以上的拾音范圍，可以顯著降低高度，距離和角度對拾音系統(tǒng)的限制。

每個波束成形麥克風(fēng)陣列工作時與ClearOne公司Converge Pro的會議系統(tǒng)組合使用，其回聲消除，降噪，濾波，門控，電平控制和自適應(yīng)聲學(xué)建模等功能將為客戶提供最自然的會議音頻協(xié)作體驗。

合并后的拾音波束和信號處理技術(shù)自動引導(dǎo)陣列麥克風(fēng)緊密關(guān)注發(fā)言者，并過濾掉不需要的聲音和反射，以減少和消除那些困擾著會議室聲學(xué)環(huán)境的室內(nèi)噪音和空洞回響的聲音。

一些不需要拾音的區(qū)域，比如門口、窗邊或其他噪聲源，可以在軟件中禁用該方向的波束。單臺Converge Pro處理器可支持3臺波束成形陣列麥克風(fēng)級聯(lián)，6臺Converge Pro處理器級聯(lián)可支持最大16臺波束成形陣列麥克風(fēng)系統(tǒng)，以覆蓋更大的房間或區(qū)域。

簡單和易于安裝

作為一個即插即用設(shè)備，ClearOne波束成形麥克風(fēng)陣列可輕松配置，定制和安裝。只需要最簡單的配置即可，因為技術(shù)已經(jīng)完全內(nèi)化在設(shè)備中。陣列的復(fù)雜性，及其相關(guān)軟件，處理器和電路系統(tǒng)都已自動智能工作，一個初級水平的技術(shù)員就能夠輕松執(zhí)行安裝和配置工作。

唯一需要的連接是一個以太網(wǎng)供電（PoE）和一個連接到Converge Pro的擴(kuò)展音頻總線。此外再無需其他線纜，接頭或任何連接。

雖然完全可定制的，以滿足幾乎所有應(yīng)用的需要，ClearOne波束成形麥克風(fēng)陣列仍然有一個默認(rèn)配置參數(shù)。不像標(biāo)準(zhǔn)的會議麥克風(fēng)那樣，需要提前配置好各設(shè)備間合適的電平水平，ClearOne波束成形麥克風(fēng)陣列可以直接連接Converge Pro處理器，都用默認(rèn)配置即可工作。唯一的調(diào)整就是自定義電平水平，輕微的增益變化。

會議中的完美音質(zhì)

在專業(yè)音頻和視頻會議行業(yè)，波束成形的麥克風(fēng)陣列及其相關(guān)的混音器，數(shù)字信號處理器和回聲消除功能代表了最新，最先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新，在提升會議聲音的保真度、清晰度和可懂度的領(lǐng)域，開拓了新的方向。

現(xiàn)代波束成形技術(shù)證明其有能力超越傳統(tǒng)的技術(shù)，在會議應(yīng)用中清楚地捕捉和重現(xiàn)人聲，并拒絕不需要的聲音，來優(yōu)化與會者之間的溝通體驗。

波束成形麥克風(fēng)陣列可方便地安裝在會議中心的天花板，墻壁或桌面，提供最好的，最不顯眼的物理安裝位置，使它成為在完美環(huán)境下實現(xiàn)完美音質(zhì)的最佳選擇。