麥克風陣列波束成形與垂射陣列（一）

所有的MEMS麥克風都擁有全指向拾音，也就是說它可以均勻的全方向收音。多個麥克風，可以形成一個陣列以形成方向相應或者波束形成（Beam Pattern）。麥克風陣列可以設計成針對某個或者某幾個方向的聲源更敏感。

麥克風陣列是個複雜的課題，我們接下來的探討將集中在基本概念，以及陣列構型上，主要是垂射陣列（Broadside Array），端射陣列（Endfire Array），並包含了設計思考，空間頻率響應，以及不同陣列的優缺點。

方向感知&極坐標圖（Directionality&Polar Plots）

方向感知，解釋了一種模式，當在一個無回聲的房間中，聲源的位置變換時，麥克風或者陣列輸出電平變換。這裡我們介紹的MEMS麥克風，均是全方向的，也就是說忽略麥克風的位置，他們可以對全方向聲音信息保持足夠敏感性。圖二的二軸極坐標圖，展示了一個全方位指向性麥克風的響應。不論麥克風埠位置是否調整，在x-y,y-z,x-z的直角坐標系中，坐標圖不受影響。

在這份說明裡，在同軸的方向既是預設的拾音方向，並在極坐標圖中標記為0°，180°即為後方，同時，兩邊，即為位於90°和270°的位置。所有的極坐標，包含此類應用，都用0°標準標明。

所有涉及聲音頻率以及波長的計算公式，都基於c=f*λ，20攝氏度的空氣中傳播速率c=343米/秒，圖一展示了頻率以及波長，在此環境下的關係。

Broadside Arrays垂射陣列

垂射陣列，是指排列一隊的麥克風，與優先聲源方向垂直（如圖三）d是指兩麥之間的距離，垂直面既是預判的聲源方向。

垂射陣列的基本實現：陣列裡面的麥克風視為一體，這種陣列的缺點是，它只能減弱來自陣列一側的聲音。因為成軸對稱結構，因此麥克風收聲，自前後的聲音產生的後置響應與前置響應沒有區別。此類陣列多用於，沒有其他來自背面側面和底面的雜音，比如掛壁電視機。

在雙麥麥克風陣列里，在90°和270°，會存在兩個極小值。在這兩個點，信號的衰減量，是與頻率正相關的。當入射頻率的半波長接近麥克風之間的距離時，響應接近完全抵消。當雙麥的距離75mm時，理論上，在2.3Khz時，會有一個完美的零。(343 m/sec ÷ (0.075 m × 2) ≈ 2.3 kHz).

除了在理想衰減發生的頻率下，其他情況下，頻率將混疊，極性響應（Polar response）開始在其他角度顯示為零。在這一點，側面的衰減又開始減小。例如，在圖4中，3khz信號(淡藍色線)正在被混疊。

Frequency Response頻率響應

橫向波束形成器在軸上具有平坦的頻率響應，因為它只是簡單地將接收到相同信號的兩個麥克風的信號相加。圖5顯示了間距為75mm的2麥克風寬邊波束形成器的歸一化響應。軸外，此圖清楚地顯示了響應中的空值。

更多元素的垂射陣列

還可以通過簡單地按照原始的兩個麥克風添加額外的麥克風來構造包含兩個以上元素的側面陣列，如圖6所示。在寬頻帶陣列中使用更多的麥克風可以實現陣列兩側聲音的更大衰減。圖7顯示了一個3麥克風寬陣列的響應，該陣列的元素之間的間距為75mm。在這個陣列中，側面的聲音衰減了6分貝，而在2麥克風的側面陣列中，只衰減了3分貝。然而，混疊(三葉草模式)發生在更低的頻率，因為所有元素之間的總距離已經從75毫米增加到150毫米。

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