適用于企業會議室的先進的波束成形麥克風陣列技術

劉江

摘要

波束成形陣列技術可以追溯到100多年前，首次應用在軍事領域，用于測定飛機，船舶和潛艇的方位和位置。直到1970年代中期，當微處理器被廣泛使用，這種技術還是100%聲學的和相當原始的。但現代軟件開發和數字信號處理技術極大地促進了這項技術的發展。依托良好的設計和工藝水平，現在能夠采用先進的麥克風陣列系統捕獲所需的聲音，并產生高度清晰和卓越品質的音頻信號。

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用，因此在蜂窩電話、無線網絡、生物醫藥、聲納、地震學，甚至無線電天文學的相關文章中有時也被討論。

本文對波束成形技術只關注其作為在視頻會議和電話會議應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如何改善會議室的聲學采集和處理，以提高語音的清晰度。

聲學波束成形理論

華盛頓大學研究員應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，當你布置了多個相鄰的傳感器發送信號或監聽聲波時，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。”

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

波束成形麥克風是麥克風家族中的一員，由于其驚艷的聲音質量，先進的性能和相控陣雷達的相似性，被認為是高指向性或者超指向性麥克風。

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

傳統的定向麥克風可能在會議應用中用于執行有限的空間濾波，以改善音頻質量。這些麥克風有一個聲學特點，即有選擇性地拾取空間中的某一個區域的聲波，并拒絕其他。

波束成形技術可以用來選擇，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，拒絕無關的聲音一直是大多數音頻工程師的目標。通過先進的微處理器把聲學波束成形技術和集成的數字信號處理結合在一起，這是目前技術上可實現的。波束成形就是這種信號處理技術，處理那些從波束成形麥克風陣列采集到的信號。從各麥克風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行相長干涉，而其他干擾信號將被濾除。

波束成形技術可實現優越的空間選擇性，使某些區域的信號（聲音方向）被放大，而其他區域的信號顯著減弱。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）進入房間的噪聲。

波束成形陣列系統通過調整相位和到達各麥克風聲音的振幅，創建波前相長相消的模式，來調節和調整麥克風陣列聚焦于期望聲音的方向性。不同麥克風的信息被合并分析，使得預設的聲學模式被優先處理，并應用到音頻會議系統中。

先進的波束成形技術采用干擾模式來改變陣列的方向性，所以從各個麥克風所收集的信息可以被組合以優先考慮預期的聲學模式。自適應波束成形算法也可以自動適應不同的聲學環境。

目前最先進的視頻會議和電話會議系統均采用專業設計的波束成形麥克風陣列和相關的組件和處理器。

波束成形技術在會議應用的興起

在音頻/視頻會議系統中，通常的做法是部署一組心型麥克風，放置在桌面上，或安裝在天花板上。當每一個定向麥克風正確對準發言者，并連接到一個專業的音頻處理器，即可實現出色的拾音效果。類似的結果也可以用無線領夾或手持麥克風實現。

在像董事會議室這樣的環境中，經常希望維持一個整潔干凈的環境，積極向上的企業形象，如把話筒放在桌面或懸掛在天花板有可能破壞室內設計的審美目標。集成了3個麥克風的麥克風陣列可以有效減少麥克風元件的數量，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，擔心講者是否開啟了話筒，環境噪音是否進入系統，并不斷優化調音臺的水平。此外，還有一些麥克風安裝座，支架，電纜，安裝和維護的成本。

相比之下，一個現代化的波束成形麥克風陣列提供了極大的便利，語音清晰，音質卓越，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。

當波束成形麥克風陣列安裝在會議桌或天花板或墻壁上，其中數組麥克風單元，相關的轉向算法，數字信號處理和回聲消除可以“放大”特定發言者的聲學增益，并提供完善的音頻質量，這是優于傳統會議室的拾音系統。

全球首個專業級，24個單元波束成形麥克風陣列

ClearOne 24單元波束成形麥克風陣列，作為專業音頻行業第一個此類解決方案，大大促進了現代會議室聲學技術、數字信號處理和室內環境設計的完美結合。

ClearOne將波束成形技術，數字信號處理，自適應轉向系統，以及新一代的聲學回聲消除技術組合在一起，24單元波束成形麥克風陣列系統突破性地實現了音頻會議系統的全集成，包括麥克風單元，板載處理，先進的軟件和連接的專業數字音頻矩陣。

一個會議室中多達10個傳統的麥克風可以被移除，由外形時尚的波束成形麥克風陣列所替代。同時其智能的空間濾波系統，綜合的信號處理能力和優于其他麥克風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的限制。

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

合并后的拾音波束和信號處理技術自動引導陣列麥克風緊密關注發言者，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環境的室內噪音和空洞回響的聲音。

一些不需要拾音的區域，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級聯，6臺Converge Pro處理器級聯可支持最大16臺波束成形陣列麥克風系統，以覆蓋更大的房間或區域。

簡單和易于安裝

作為一個即插即用設備，ClearOne波束成形麥克風陣列可輕松配置，定制和安裝。只需要最簡單的配置即可，因為技術已經完全內化在設備中。陣列的復雜性，及其相關軟件，處理器和電路系統都已自動智能工作，一個初級水平的技術員就能夠輕松執行安裝和配置工作。

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

雖然完全可定制的，以滿足幾乎所有應用的需要，ClearOne波束成形麥克風陣列仍然有一個默認配置參數。不像標準的會議麥克風那樣，需要提前配置好各設備間合適的電平水平，ClearOne波束成形麥克風陣列可以直接連接Converge Pro處理器，都用默認配置即可工作。唯一的調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

在專業音頻和視頻會議行業，波束成形的麥克風陣列及其相關的混音器，數字信號處理器和回聲消除功能代表了最新，最先進的技術創新，在提升會議聲音的保真度、清晰度和可懂度的領域，開拓了新的方向。

現代波束成形技術證明其有能力超越傳統的技術，在會議應用中清楚地捕捉和重現人聲，并拒絕不需要的聲音，來優化與會者之間的溝通體驗。

波束成形麥克風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，使它成為在完美環境下實現完美音質的最佳選擇。