MEMS 麦克风波束成形简介

在语音交互系统和专业 AV 设备等要求定向响应的应用中，使用多个 MEMS 麦克风组成波束成形阵列，可充分发挥这些低功耗、高性价比小巧设备的固有优势。

麦克风与方向性

MEMS 麦克风坚固耐用、性价比高，由于尺寸小巧且功耗低，几乎可以集成到任何应用中。这类麦克风具有全向响应，对来自任何方向的声音具有相同的灵敏度。这样的特性适合于某些应用，例如需要固定麦克风来捕捉来自不确定方向或移动声源的声音。然而另一方面，全向性允许环境声音或杂声与主声源竞争，可能导致音频不清晰或难以分辨。

波束成形阵列若包含多个 MEMS 麦克风，则可以通过增强某一方向的声音并衰减其他方向的声音来克服这一问题。该方法将麦克风信号叠加，借由延迟插入、放大和滤波等信号处理技术，最大限度地减弱杂声信号。来自有用音频信源的信号相干叠加，而杂声信号非相干叠加，因此相对于主信号，杂音信号衰减。该方法如图 1 所示。使用精心设计的基本双麦克风阵列，信号处理就变得相当简单。

图 1：波束成形麦克风阵列可相对于背景噪声增强有用信号。（图片来源： CUI Inc.）

基本波束成形阵列最少只需两个麦克风，形成单轴乐器。通过适当的信号处理可以构建宽边阵列，最大限度地放大来自阵列侧边、垂直于双麦克风轴线的声音信号。或者，通过优化声音沿麦克风轴线传播的方向性来构建端射阵列。

无论哪种阵列，麦克风的灵敏度和频率响应都必须高度匹配。所幸，MEMS 麦克风的制造过程采用晶圆级制造工艺，这也是这类麦克风的关键优势。

宽边阵列

宽边阵列如图 2 所示。来自有用声源方向的声音同时到达两个麦克风，输出信号叠加产生较大幅度的信号。来自其他角度的声音信号叠加效果不明显。

实际上，宽边阵列对于来自主轴两侧的声音同样敏感。因此，宽边阵列常用于后方或上下方杂声较少或没有的应用。典型应用是电视或电脑显示器的语音交互支持。在该应用中，用户通常位于屏幕正前方，而房间中的环境声音大多来自侧边，而非后方或上方。麦克风阵列可内置于屏幕外壳中，以此实现自然的宽边方向，既方便又隐蔽。

图 2： 宽边阵列对垂直于麦克风轴线的声源最为敏感。（图片来源： CUI Inc.）

端射阵列

若要衰减来自麦克风后方或侧边的音频源信号，可使用端射阵列，最大限度地减弱这些信号的同时，增强来自阵列正前方的声音信号（图 3）。

图 3： 端射阵列可以隔离来自麦克风正前方的声音。（图片来源： CUI Inc.）

如图所示，有用声音到达第一个麦克风，然后传播已知距离到达第二个麦克风。使用信号处理补偿已知的延迟，再将两个信号叠加产生幅度较大的信号。来自阵列后方或轴线侧边的声音信号叠加，产生的信号幅度就小得多。

端射阵列的典型应用包括用于电视或收音机的手持式麦克风。该应用具有指向性声源（如主持人或发言人），需清晰捕捉发言人的声音并消除背景噪声。发烧友公众号回复资料可以免费获取电子资料一份记得留邮箱地址。

圆形和球形阵列

例如，四个或更多麦克风放置于圆周（图 4）或呈球形排列，组成波束成形阵列，所提供的信号可采用更复杂的信号处理算法来确定接收声音来源的方向。这种类型的阵列可用于情报收集等目的，包括在军事或执法应用中识别枪声的来源。下图中，数字信号处理用于识别枪声和计算方向以帮助确定声源。

图 4： 较大的阵列可以支持声源定位等复杂功能。（图片来源： CUI Inc.）

总结

MEMS 麦克风具有全向响应，适用于各种应用，特别是优先高性价比、高可靠性、小尺寸和低功耗的设计。这类麦克风采用半导体制造工艺，因此灵敏度和频率响应等参数可高度匹配，而这正是构建波束成形阵列的重要要求。

在要求定向响应的应用中使用波束成形，可充分发挥 MEMS 麦克风的优势。一个阵列可包含两个或多个麦克风，对各麦克风输出进行信号处理即可实现所需的定向响应。基本配置包括宽边阵列和端射阵列，这些阵列的信号处理功能相对简单。更复杂的阵列包括：用于确定声源方向的圆形或球形阵列；或者包含麦克风数量从几个到几百个的阵列，可用于研究或安全监视等应用。