适用于企业会议室的先进的波束成形麦克风阵列技术

刘江

摘要

波束成形阵列技术可以追溯到100多年前，首次应用在军事领域，用于测定飞机，船舶和潜艇的方位和位置。直到1970年代中期，当微处理器被广泛使用，这种技术还是100%声学的和相当原始的。但现代软件开发和数字信号处理技术极大地促进了这项技术的发展。依托良好的设计和工艺水平，现在能够采用先进的麦克风阵列系统捕获所需的声音，并产生高度清晰和卓越品质的音频信号。

像我们所知道的空间滤波一样，波束成形也支持声波和无线电能量这两种应用，因此在蜂窝电话、无线网络、生物医药、声纳、地震学，甚至无线电天文学的相关文章中有时也被讨论。

本文对波束成形技术只关注其作为在视频会议和电话会议应用中一种传感和过滤声波的方式，并介绍了新兴的工艺和技术如何改善会议室的声学采集和处理，以提高语音的清晰度。

声学波束成形理论

华盛顿大学研究员应用物理实验室安德鲁A.甘泽解释说：“波束成形的基本观点是，当你布置了多个相邻的传感器发送信号或监听声波时，你会得到一种干涉图样，就像你扔了一些石子在池塘里立刻看到的波纹，会建立干扰涟漪。如果您选择的传感器和传感器信号延迟的间隔时间恰到好处，你就可以得到一个干涉图样，特别是能观察到其中的大部分信号能量全部消耗在一个特定的方向。”

通过相位阵列中元素的结合（比如，天线或麦克风），这样，在特定的角度信号经历相长干涉，如遇到破坏性的干扰时，波束成形可用于实现空间选择性和消除不需要的信号。

波束成形麦克风是麦克风家族中的一员，由于其惊艳的声音质量，先进的性能和相控阵雷达的相似性，被认为是高指向性或者超指向性麦克风。

音频专业人士都知道，全向麦克风会拾取来自四面八方的声音。全向麦克风的缺点是，他们往往导致声音是混响，或空洞，并且包含着一个房间里各个方向的环境噪音。20世纪40年底就流行的心形麦克风，作为指向性麦克风的一种，在今天依然普遍应用。心型麦克风的声音混响和噪声都比全向麦克风小，因为它们减少了侧面后面的反射音和噪声对声音拾取的影响。但是心形麦克风可选择性有限，并且滤波能力较低，这些都被波束成形技术超越。

传统的定向麦克风可能在会议应用中用于执行有限的空间滤波，以改善音频质量。这些麦克风有一个声学特点，即有选择性地拾取空间中的某一个区域的声波，并拒绝其他。

波束成形技术可以用来选择，或集中在那些只想让与会者听到的声音，而拒绝所有不需要的声音。选择所需的声源，拒绝无关的声音一直是大多数音频工程师的目标。通过先进的微处理器把声学波束成形技术和集成的数字信号处理结合在一起，这是目前技术上可实现的。波束成形就是这种信号处理技术，处理那些从波束成形麦克风阵列采集到的信号。从各麦克风单元采集的信号会被筛选被组合，对一些在特定角度的信号进行相长干涉，而其他干扰信号将被滤除。

波束成形技术可实现优越的空间选择性，使某些区域的信号（声音方向）被放大，而其他区域的信号显著减弱。波束成形处理部件还可以被配置，以衰减一些其他方向（比如门或窗）进入房间的噪声。

波束成形阵列系统通过调整相位和到达各麦克风声音的振幅，创建波前相长相消的模式，来调节和调整麦克风阵列聚焦于期望声音的方向性。不同麦克风的信息被合并分析，使得预设的声学模式被优先处理，并应用到音频会议系统中。

先进的波束成形技术采用干扰模式来改变阵列的方向性，所以从各个麦克风所收集的信息可以被组合以优先考虑预期的声学模式。自适应波束成形算法也可以自动适应不同的声学环境。

目前最先进的视频会议和电话会议系统均采用专业设计的波束成形麦克风阵列和相关的组件和处理器。

波束成形技术在会议应用的兴起

在音频/视频会议系统中，通常的做法是部署一组心型麦克风，放置在桌面上，或安装在天花板上。当每一个定向麦克风正确对准发言者，并连接到一个专业的音频处理器，即可实现出色的拾音效果。类似的结果也可以用无线领夹或手持麦克风实现。

在像董事会议室这样的环境中，经常希望维持一个整洁干净的环境，积极向上的企业形象，如把话筒放在桌面或悬挂在天花板有可能破坏室内设计的审美目标。集成了3个麦克风的麦克风阵列可以有效减少麦克风元件的数量，但仍然很难隐藏，无法提供一种超洁净又美观的整体外观。

其他桌面和天花板麦克风的缺点包括必须有额外的工作人员去管理众多的话筒，例如检查无线电池和声音电平，担心讲者是否开启了话筒，环境噪音是否进入系统，并不断优化调音台的水平。此外，还有一些麦克风安装座，支架，电缆，安装和维护的成本。

相比之下，一个现代化的波束成形麦克风阵列提供了极大的便利，语音清晰，音质卓越，以及可靠的通信。波束成形阵列安装后不易被注意，可以很好地隐藏在房间的背景中，既美观又实用。

当波束成形麦克风阵列安装在会议桌或天花板或墙壁上，其中数组麦克风单元，相关的转向算法，数字信号处理和回声消除可以“放大”特定发言者的声学增益，并提供完善的音频质量，这是优于传统会议室的拾音系统。

全球首个专业级，24个单元波束成形麦克风阵列

ClearOne 24单元波束成形麦克风阵列，作为专业音频行业第一个此类解决方案，大大促进了现代会议室声学技术、数字信号处理和室内环境设计的完美结合。

ClearOne将波束成形技术，数字信号处理，自适应转向系统，以及新一代的声学回声消除技术组合在一起，24单元波束成形麦克风阵列系统突破性地实现了音频会议系统的全集成，包括麦克风单元，板载处理，先进的软件和连接的专业数字音频矩阵。

一个会议室中多达10个传统的麦克风可以被移除，由外形时尚的波束成形麦克风阵列所替代。同时其智能的空间滤波系统，综合的信号处理能力和优于其他麦克风2倍以上的拾音范围，可以显著降低高度，距离和角度对拾音系统的限制。

每个波束成形麦克风阵列工作时与ClearOne公司Converge Pro的会议系统组合使用，其回声消除，降噪，滤波，门控，电平控制和自适应声学建模等功能将为客户提供最自然的会议音频协作体验。

合并后的拾音波束和信号处理技术自动引导阵列麦克风紧密关注发言者，并过滤掉不需要的声音和反射，以减少和消除那些困扰着会议室声学环境的室内噪音和空洞回响的声音。

一些不需要拾音的区域，比如门口、窗边或其他噪声源，可以在软件中禁用该方向的波束。单台Converge Pro处理器可支持3台波束成形阵列麦克风级联，6台Converge Pro处理器级联可支持最大16台波束成形阵列麦克风系统，以覆盖更大的房间或区域。

简单和易于安装

作为一个即插即用设备，ClearOne波束成形麦克风阵列可轻松配置，定制和安装。只需要最简单的配置即可，因为技术已经完全内化在设备中。阵列的复杂性，及其相关软件，处理器和电路系统都已自动智能工作，一个初级水平的技术员就能够轻松执行安装和配置工作。

唯一需要的连接是一个以太网供电（PoE）和一个连接到Converge Pro的扩展音频总线。此外再无需其他线缆，接头或任何连接。

虽然完全可定制的，以满足几乎所有应用的需要，ClearOne波束成形麦克风阵列仍然有一个默认配置参数。不像标准的会议麦克风那样，需要提前配置好各设备间合适的电平水平，ClearOne波束成形麦克风阵列可以直接连接Converge Pro处理器，都用默认配置即可工作。唯一的调整就是自定义电平水平，轻微的增益变化。

会议中的完美音质

在专业音频和视频会议行业，波束成形的麦克风阵列及其相关的混音器，数字信号处理器和回声消除功能代表了最新，最先进的技术创新，在提升会议声音的保真度、清晰度和可懂度的领域，开拓了新的方向。

现代波束成形技术证明其有能力超越传统的技术，在会议应用中清楚地捕捉和重现人声，并拒绝不需要的声音，来优化与会者之间的沟通体验。

波束成形麦克风阵列可方便地安装在会议中心的天花板，墙壁或桌面，提供最好的，最不显眼的物理安装位置，使它成为在完美环境下实现完美音质的最佳选择。