Фазированная решетка — принципы и применение микрофонных и акустических решеток

В области акустики всегда было важно точно контролировать распространение и прием звука. Технология акустической фазированной решетки достигает революционного контроля над пространственными характеристиками звуковых волн, располагая множество микрофонов или динамиков в определенной геометрической структуре, дополненной сложными алгоритмами обработки сигналов. Это позволяет системе "слышать точнее", а звуку "передаваться более точно". В этом блоге давайте изучим основные принципы, ключевые технологии (такие как формирование луча) и широкое применение микрофонных решеток и решеток динамиков.

Что такое фазированная решетка? 

Акустическая решетка - это система, состоящая из множества акустических датчиков (микрофонов или динамиков), расположенных в определенной геометрической конфигурации. Такая структурная конструкция позволяет решетке выполнять сложные функции, недостижимые для одного датчика. 

Основное преимущество акустической решетки заключается в ее способности к пространственной обработке. Координируя работу множества датчиков, она обеспечивает точный контроль или анализ направления распространения звука и зоны покрытия. Акустические решетки могут фокусировать звук в определенных направлениях для передачи/приема, усиливать целевые сигналы, подавлять шумовые помехи и контролировать направление и диапазон распространения звука. 

На основе типа используемых датчиков и их основной функции акустические решетки в основном делятся на две категории: 

Микрофонная решетка: Фокусируется на приеме, сборе и анализе звука. 

Решетка динамиков: Фокусируется на излучении, воспроизведении и контроле звука.

Что такое микрофонная решетка? 

Микрофонная решетка черпает вдохновение из бинаурального принципа, который люди используют для локализации источников звука на основе временных различий. Она достигает мощной пространственной акустической обработки путем синхронной выборки звуковых сигналов несколькими микрофонами и применения передовых методов обработки сигналов (в первую очередь формирования луча). Основные функции микрофонной решетки в основном проявляются в следующих трех аспектах: 

Локализация источника звука 

Эта функция направлена на определение точных пространственных координат звукового события. Поскольку звук распространяется с конечной скоростью, звуковые волны от одного источника достигают микрофонов в разных позициях решетки в немного разное время. Эта разница называется "Разница времени прихода" (TDOA) или "временная задержка". 

Основная идея формирования луча заключается в применении регулируемых "искусственных временных задержек" для компенсации каждого микрофонного канала. Регулируя эти значения компенсации, система пытается выровнять (сделать синфазными) сигналы, исходящие из предполагаемого направления, по всем микрофонным каналам. Когда сигналы от всех каналов выровнены и суммированы, общая выходная мощность для этого направления достигает максимума.

Система сканирует разные точки в пространстве, чтобы найти комбинацию "искусственных временных задержек", которая максимизирует выходную мощность. На основе этой оптимальной комбинации компенсации и известной геометрической структуры микрофонной решетки можно вычислить фактическое пространственное положение источника звука, вызывающего эту временную разницу. Этот процесс по существу использует информацию о временной задержке для пространственной инверсии.

Ключевые сценарии применения:

1. Интеллектуальный контроль дорожного движения: Системы захвата свистка точно локализуют транспортные средства, нарушающие правила использования звукового сигнала; системы захвата незаконно модифицированных транспортных средств отслеживают положение источника рычащего шума выхлопа.

2. Мониторинг промышленного оборудования: Локализация в реальном времени точек аномального шума (например, от подшипников, редукторов, труб) на заводах для профилактического обслуживания и диагностики неисправностей (например, обнаружение износа подшипников, специфического частотного шума от утечек газа).

3. Мониторинг экологического шума: Системы мониторинга шума в сообществах или городах быстро идентифицируют и локализуют источники беспокоящего шума (например, строительный шум, шум от развлекательных заведений), повышая эффективность правоприменения.

Направленный захват звука

Эта функция направлена на усиление звукового сигнала из определенного целевого направления при подавлении мешающего шума и окружающих звуков из других направлений, тем самым улучшая отношение сигнал/шум (SNR) целевого звука.

Направленный захват также опирается на технологию формирования луча. Система заранее устанавливает (или динамически отслеживает) направление целевого источника звука и вычисляет оптимальные значения компенсации "искусственной временной задержки" для этого направления.

После применения этих значений компенсации звуковые сигналы из целевого направления выравниваются по микрофонным каналам и значительно усиливаются за счет синфазного суммирования. Звуковые сигналы из нецелевых направлений (включая мешающий шум и диффузный окружающий звук), не способные быть выровненными этим конкретным набором компенсаций задержки, подвергаются различной степени подавления или ослабления при суммировании. Это значительно улучшает четкость и разборчивость речи или звука из целевого направления, достигая "направленной фокусировки звука".

Типичные сценарии применения:

1. Голосовое взаимодействие в дальнем поле: Умные колонки, умные телевизоры и системы видеоконференций могут четко улавливать голосовые команды или речь пользователя через комнату (обычно несколько метров), снижая влияние окружающего шума.

2. Запись конференций высокой четкости и разделение говорящих: В конференц-залах системы могут направленно улавливать звук от конкретных говорящих (например, председателя, текущего выступающего) или формировать независимые лучи захвата для говорящих в разных местах, обеспечивая запись "разделения говорящих" для более четких и отслеживаемых протоколов встреч.

3. Профессиональная запись на открытом воздухе: Эффективно подавляет фоновые помехи, такие как шум ветра и дорожный шум в шумной внешней среде (например, места новостных репортажей, наблюдение за дикой природой), чтобы четко захватить звук от конкретных целевых объектов (например, интервьюируемых, определенных животных).

4. Охранное наблюдение: Работает с камерами для направленного захвата определенных звуков (например, аномальных криков о помощи, разбитого стекла) в наблюдаемой области, повышая эффективность наблюдения.

Захват высокой четкости в дальнем поле и подавление реверберации

Основной проблемой для захвата в дальнем поле является интерференция реверберации. Технология подавления реверберации направлена на устранение или уменьшение реверберирующего звука, вызванного отражениями в помещении, сохраняя и усиливая прямой звук для улучшения четкости при захвате на большом расстоянии.

Когда микрофоны находятся далеко от источника звука, сила прямого звукового сигнала ослабевает, в то время как энергетический вклад реверберации, образованной множественными отражениями от стен, потолков, полов и т.д., значительно увеличивается. Сильная реверберация вызывает размытую речь и смазывание слогов, значительно снижая точность распознавания речи и слуховую четкость.

Для повышения четкости захвата на большом расстоянии ключевым является применение технологии подавления реверберации, которая направлена на эффективное подавление или устранение этих вредных реверберирующих компонентов при сохранении и усилении прямого звукового сигнала от источника. Широко используемым и высокоэффективным решением является многоканальное линейное предсказание (MCLP). Основная идея этого метода использует фундаментальные статистические различия, особенно в разреженности, между реальным речевым сигналом (в основном прямой звук и ранние отражения) и поздней реверберацией - реальные речевые сигналы обычно демонстрируют более высокую разреженность (более концентрированное распределение энергии) в частотно-временной области, чем поздняя реверберация. Анализируя пространственную корреляцию между многоканальными сигналами и характеристиками реверберации, метод MCLP устанавливает модель линейного предсказания для оценки и разделения реверберирующих компонентов, в конечном итоге выводя значительно более четкие речевые сигналы.

Техническая реализация:

1. Моделирование: MCLP использует пространственную корреляцию между сигналами от множества микрофонных каналов и акустические характеристики реверберации (например, модели импульсной характеристики помещения - RIR) для установления модели линейного предсказания.

2. Предсказание и разделение: Эта модель используется для предсказания реверберирующих компонентов в микрофонном сигнале в текущий момент времени (в основном используя информацию о прошлом сигнале). Предсказание основано на конкретных паттернах корреляции, которые реверберация демонстрирует по множеству каналов.

3. Оценка и подавление: Предсказанные реверберирующие компоненты вычитаются из исходного микрофонного сигнала, что приводит к оцененному, относительно чистому прямому звуковому сигналу (речь с подавленной реверберацией).

Что такое решетка динамиков? 

Технология решетки динамиков состоит из группы динамиков, расположенных в определенном геометрическом порядке (например, прямая линия, кривая, плоскость) и работающих совместно. Благодаря независимому и точному контролю сигнала (амплитуды и фазы/задержки) для каждого элемента в решетке, она достигает активного контроля над диаграммой направленности звука, преодолевая ограничения традиционного точечного звукоусиления. Основные функции применения решетки динамиков в основном отражаются в двух аспектах: направленное звукоусиление и покрытие с постоянным уровнем звукового давления. 

Направленное звукоусиление 

Направленное звукоусиление направлено на концентрацию излучения звуковой энергии в сторону определенной целевой области или направления, уменьшая утечку энергии и отражения в нецелевые области.

Множество динамиков, образующих решетку, физически эквивалентны увеличению эффективного размера (апертуры) источника звука. Согласно акустическим принципам, источник звука большего размера по своей природе обеспечивает лучший контроль направленности (т.е. более концентрированную звуковую энергию). 

Для достижения более точного и гибкого контроля направленности используются методы реконструкции звукового поля. Для каждого динамика в решетке может быть разработан специальный цифровой фильтр. Эти фильтры независимо регулируют амплитуду (усиление) и фазу (задержку) аудиосигнала, подаваемого на каждый элемент. 

Точно контролируя соотношение амплитуды и фазы сигналов для каждого элемента, общие звуковые волны, генерируемые решеткой, могут быть направлены для конструктивной интерференции (усиления) и деструктивной интерференции (подавления) в пространстве. Это точно "направляет" или "фокусирует" главный лепесток звуковой волны (направление наибольшей энергии) в сторону желаемого целевого направления.

Покрытие с постоянным уровнем звукового давления направлено на решение проблемы быстрого затухания уровня звукового давления (SPL) с расстоянием в традиционных точечных звуковых системах. Оно достигает равномерного распределения SPL на большой продольной глубине (от передних до задних рядов), обеспечивая постоянную громкость для всех слушателей.

Согласно распространению звуковых волн в свободном поле (закон обратных квадратов), SPL от точечного источника уменьшается примерно на 6 дБ при удвоении расстояния распространения. Это заставляет слушателей в передних рядах в глубоких залах (например, театры, церкви, аудитории, стадионы) воспринимать звук как чрезмерно громкий, в то время как слушатели в задних рядах находят его слишком тихим.

Структура линейной решетки эффективно решает проблему продольной однородности звукового поля. Ее основа заключается в независимом контроле амплитуды (громкости) и фазы (задержки) для каждого динамика. Благодаря точной настройке амплитуды и фазы, она использует интерференцию звуковых волн для достижения почти постоянного общего звукового давления по продольной глубине. Конкретная стратегия: 

1. Конструктивное суммирование на дальнем конце (задние ряды): Точно контролировать фазовое соотношение звуковых волн, прибывающих в удаленные позиции (например, задние ряды), чтобы сделать их максимально синфазными. Синфазные волны суммируются конструктивно, значительно повышая SPL для компенсации естественного затухания. 

2. Деструктивное подавление на ближнем конце (передние ряды): Точно контролировать фазовое соотношение звуковых волн, прибывающих в близкие позиции (например, передние ряды), чтобы сделать их частично противофазными. Противофазные волны подавляются деструктивно, снижая SPL в этой области. 

Тщательно проектируя амплитудное взвешивание и фазовую задержку для каждого элемента (верхние элементы имеют более высокую мощность и меньшую задержку; нижние элементы имеют более низкую мощность и большую задержку), интерференция звуковых волн поддерживает почти постоянный общий SPL на больших продольных расстояниях от ближнего до дальнего. Это преодолевает ограничение закона обратных квадратов. Широко используется в больших залах (например, концертные залы, театры, церкви, конференц-центры, стадионы, железнодорожные станции), требующих равномерного покрытия по глубине, обеспечивая четкую, комфортную и постоянную громкость для всех зрителей.

Заключение 

Технология акустической фазированной решетки располагает множество акустических датчиков (микрофонов или динамиков) в определенной геометрической структуре для достижения функций, которые один датчик не может выполнить. Ее основа делится на две категории: микрофонная решетка и решетка динамиков. Микрофонная решетка использует технологию формирования луча для обработки сигналов, собранных синхронно несколькими микрофонами. Решетка динамиков изменяет форму излучения звукового поля путем независимого и точного контроля амплитуды и фазы (задержки) сигнала каждого элемента в решетке. Испытываете ли вы проблему неравномерного распределения звукового поля? Нужно достичь точного направленного звукоусиления? Свяжитесь с нами для индивидуальных решений.