在語音交互系統(tǒng)和專業(yè) AV 設(shè)備等要求定向響應(yīng)的應(yīng)用中，使用多個 MEMS 麥克風組成波束成形陣列，可充分發(fā)揮這些低功耗、高性價比小巧設(shè)備的固有優(yōu)勢。
麥克風與方向性
MEMS 麥克風堅固耐用、性價比高，由于尺寸小巧且功耗低，幾乎可以集成到任何應(yīng)用中。這類麥克風具有全向響應(yīng)，對來自任何方向的聲音具有相同的靈敏度。這樣的特性適合于某些應(yīng)用，例如需要固定麥克風來捕捉來自不確定方向或移動聲源的聲音。然而另一方面，全向性允許環(huán)境聲音或雜聲與主聲源競爭，可能導(dǎo)致音頻不清晰或難以分辨。
波束成形陣列若包含多個 MEMS 麥克風，則可以通過增強某一方向的聲音并衰減其他方向的聲音來克服這一問題。該方法將麥克風信號疊加，借由延遲插入、放大和濾波等信號處理技術(shù)，最大限度地減弱雜聲信號。來自有用音頻信源的信號相干疊加，而雜聲信號非相干疊加，因此相對于主信號，雜音信號衰減。該方法如圖 1 所示。使用精心設(shè)計的基本雙麥克風陣列，信號處理就變得相當簡單。
圖 1：波束成形麥克風陣列可相對于背景噪聲增強有用信號。（圖片來源： CUI Devices）
基本波束成形陣列最少只需兩個麥克風，形成單軸樂器。通過適當?shù)男盘柼幚砜梢詷?gòu)建寬邊陣列，最大限度地放大來自陣列側(cè)邊、垂直于雙麥克風軸線的聲音信號。或者，通過優(yōu)化聲音沿麥克風軸線傳播的方向性來構(gòu)建端射陣列。
無論哪種陣列，麥克風的靈敏度和頻率響應(yīng)都必須高度匹配。所幸，MEMS 麥克風的制造過程采用晶圓級制造工藝，這也是這類麥克風的關(guān)鍵優(yōu)勢。
寬邊陣列
寬邊陣列如圖 2 所示。來自有用聲源方向的聲音同時到達兩個麥克風，輸出信號疊加產(chǎn)生較大幅度的信號。來自其他角度的聲音信號疊加效果不明顯。
實際上，寬邊陣列對于來自主軸兩側(cè)的聲音同樣敏感。因此，寬邊陣列常用于后方或上下方雜聲較少或沒有的應(yīng)用。典型應(yīng)用是電視或電腦顯示器的語音交互支持。在該應(yīng)用中，用戶通常位于屏幕正前方，而房間中的環(huán)境聲音大多來自側(cè)邊，而非后方或上方。麥克風陣列可內(nèi)置于屏幕外殼中，以此實現(xiàn)自然的寬邊方向，既方便又隱蔽。
圖 2： 寬邊陣列對垂直于麥克風軸線的聲源最為敏感。（圖片來源： CUI Devices）
端射陣列
若要衰減來自麥克風后方或側(cè)邊的音頻源信號，可使用端射陣列，最大限度地減弱這些信號的同時，增強來自陣列正前方的聲音信號（圖 3）。
圖 3： 端射陣列可以隔離來自麥克風正前方的聲音。（圖片來源： CUI Devices）
如圖所示，有用聲音到達第一個麥克風，然后傳播已知距離到達第二個麥克風。使用信號處理補償已知的延遲，再將兩個信號疊加產(chǎn)生幅度較大的信號。來自陣列后方或軸線側(cè)邊的聲音信號疊加，產(chǎn)生的信號幅度就小得多。
端射陣列的典型應(yīng)用包括用于電視或收音機的手持式麥克風。該應(yīng)用具有指向性聲源（如主持人或發(fā)言人），需清晰捕捉發(fā)言人的聲音并消除背景噪聲。
圓形和球形陣列
例如，四個或更多麥克風放置于圓周（圖 4）或呈球形排列，組成波束成形陣列，所提供的信號可采用更復(fù)雜的信號處理算法來確定接收聲音來源的方向。這種類型的陣列可用于情報收集等目的，包括在軍事或執(zhí)法應(yīng)用中識別槍聲的來源。下圖中，數(shù)字信號處理用于識別槍聲和計算方向以幫助確定聲源。
圖 4： 較大的陣列可以支持聲源定位等復(fù)雜功能。（圖片來源： CUI Devices）
總結(jié)
MEMS 麥克風具有全向響應(yīng)，適用于各種應(yīng)用，特別是優(yōu)先高性價比、高可靠性、小尺寸和低功耗的設(shè)計。這類麥克風采用半導(dǎo)體制造工藝，因此靈敏度和頻率響應(yīng)等參數(shù)可高度匹配，而這正是構(gòu)建波束成形陣列的重要要求。
在要求定向響應(yīng)的應(yīng)用中使用波束成形，可充分發(fā)揮 MEMS 麥克風的優(yōu)勢。一個陣列可包含兩個或多個麥克風，對各麥克風輸出進行信號處理即可實現(xiàn)所需的定向響應(yīng)。基本配置包括寬邊陣列和端射陣列，這些陣列的信號處理功能相對簡單。更復(fù)雜的陣列包括：用于確定聲源方向的圓形或球形陣列；或者包含麥克風數(shù)量從幾個到幾百個的陣列，可用于研究或安全監(jiān)視等應(yīng)用。
