麦克风波束成形技术基础

所有 MEMS 麦克风本身都 全方位这意味着它们对来自各个方向的声音的反应相同。但是，当多个麦克风排列成一个 矩阵因此，可以塑造方向灵敏度，即所谓的 波束成形.

波束成形使麦克风阵列能够对来自某些方向的声音做出更强的响应，同时抑制其他方向的声音。本指南介绍 基本原理和阵列类型 用于波束成形，重点是 齐射和端射阵列包括空间和频率响应、设计权衡和灵敏度考虑。

麦克风指向性和极性模式

方向性 是指传声器的输出电平如何随声源在消声空间中的位置而变化。如图所示 图 1ADI 的所有 MEMS 麦克风都是全向的，并提供圆极响应。

• 轴上:0°，拾音方向
• 离轴：90°、180°、270°-侧面和背面
• 本指南中的所有极坐标图均为 归一化为 0° 响应

频率与波长的关系

声音之间的关系 速度, 频率和 波长 是
c = f × λ在 20°C 的空气中，c ≈ 343 米/秒。
参见 图 1 频率-波长参考图。

宽边麦克风阵列

A 宽边阵列 将麦克风排成一排 垂直 声波方向（见 图 2).当所需的声源位于麦克风阵列正前方时，这种设计最为理想。

• 麦克风间距： d
• 信号处理 简单求和
• 优势：强大的侧叶抑制功能（90°、270）
• 局限性：前后无差别（0° 与 180°）。

在双麦克风宽边阵列中 75 毫米间距，破坏性干扰发生在 ~2.3 kHz 处，此时 半波长等于话筒间距.

频率更高、 空间混叠 发生，在不需要的角度引入新的空点（见 图 3).增加话筒数量可改善侧向抑制（见 图 4-5)，但降低了产生混叠的频率阈值。

宽频响应

当信号相干相加时，轴上响应保持平坦。离轴衰减随频率和话筒间距的变化而变化（见 图 6).设计权衡： 更宽的间距改善了低频方向性，但增加了混叠风险.

端射（轴向）阵列和差分波束形成器

一个 端火阵列 将麦克风对准与所需声音路径相同的方向（见 图 7).)。 差动配置 将后置话筒的延迟信号减去前置话筒的延迟信号，从而产生 心形、超心形或超心形 模式。

• 关键设计变量：
  • 麦克风间距
  • 延迟时间 (基于采样率）
• 对于 fs = 48 kHz，单采样延迟 ≈ 21 微秒相当于空气中的 ~7 毫米
• 当延迟与物理到达时间偏移相匹配时，就能实现心形响应（见 图 9)

频率响应和无效

• 差分阵列显示 高通行为
• 输出以 6 分贝/倍频程增加，直至 空频 (半波长 = 间距）
• 在较高频率下会出现混叠和额外的空点（见 图 10-12)

目前 话筒间距 和 延迟时间 确定空位置和响应形状：

• 太短→弱空
• 太长 → 分割后空格（见 图 11)

应用 均衡（EQ） 建议将通带变平。选择合适的空频至关重要--太低会干扰语音，太高会削弱低频灵敏度。

高阶 Endfire 阵列

通过添加更多对齐麦克风，可以构建更高阶的波束成形器（见 图 13).A 二阶端射阵列 (3 个麦克风）提供更强的侧叶抑制（12 dB）和一阶抑制（6 dB），如图所示 图 14.

更多的元件可以提高性能，但需要更长的物理阵列，这可能与工业设计的限制相冲突。

麦克风匹配

高性能波束成形需求 麦克风灵敏度和频率响应紧密匹配.差异会降低空性能和方向性。例如，ADI 公司的 MEMS 麦克风就为此进行了严格匹配。

系统信噪比和波束成形的影响

波束成形影响 系统信噪比 (SNR):

• 宽边阵列 通过对信号求和来提高轴上信噪比：
  • 信号增加 +6 分贝
  • 噪音增加 +3 分贝（不相关噪音）
  • 净信噪比提高+3 dB
• 离轴信噪比因信号电平下降而降低
• 差分阵列 根据频率和话筒间距的不同，信噪比表现复杂

阵列几何形状和布置

麦克风 中心对中心间距 这并不是唯一的考虑因素--PCB 厚度和麦克风高度会影响真正的声学中心位置。例如，ADI MEMS 麦克风的声学中心位于 端口上方 0.57 毫米.如果麦克风安装在不同高度，则必须考虑到这一点。

高级波束成形

本指南侧重于基本波束成形。高级算法如

• 光束转向
• 来源追踪
• 间距不均匀
• 基于 FFT 的自适应处理

......可以用最少的硬件提供强大的性能。使用高阶波束成形器 非均匀间距 能达到 更宽的频率范围 和 低噪音.

摘要：Broadside 与 Endfire 阵列对比

结论

波束成形是一种强大的技术，可改善 指向性、噪声抑制和语音清晰度 在 MEMS 麦克风阵列中。通过选择正确的配置齐射-通过使用适当的延迟和间距来匹配麦克风元件，工程师可以显著提高智能扬声器、语音助手和移动设备的系统音频性能。

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📌 麦克风匹配

高性能波束成形需求 麦克风灵敏度和频率响应紧密匹配.即使是微小的不匹配也会大大降低空性能和方向精度。供参考、 模拟器件公司提供详细的见解 实际系统中的 MEMS 麦克风匹配：
🔗 模拟器件公司：选择和匹配 MEMS 麦克风

📌 先进波束成形

虽然本指南侧重于固定阵列波束成形，但更先进的技术，例如.....：

• 自适应光束转向
• 空间过滤
• 实时源定位

......可显著增强噪声或动态环境中的方向性和信噪比。这些技术越来越多地应用于 人工智能边缘处理和智能音频正如以下文章所探讨的那样：
🔗 英伟达™（NVIDIA®）开发人员：针对音频波束成形的深度学习

系统信噪比和波束成形的影响

波束成形直接影响 系统级信噪比 (SNR).多项研究表明，通过波束成形提高信噪比与 提高了关键词检测的准确性 在语音控制系统中的应用。深入了解其背后的数学原理：
🔗 IEEE Xplore：用于降噪的麦克风阵列信号处理