TWS耳機(jī)靠顏值？不，通話降噪才是硬實(shí)力

科技閻羅

毫無(wú)疑問(wèn)，TWS耳機(jī)已成為了時(shí)尚單品。
但是如果因?yàn)榄h(huán)境嘈雜且耳機(jī)通話降噪功能不好，接電話還要把耳機(jī)摘了用手機(jī)接的話，心里難免膈應(yīng)。
弄潮兒：我要這耳機(jī)有何用？！
小編：不要給我！

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隨著 TWS耳機(jī)逐漸解決穩(wěn)定連接的基本問(wèn)題后，通話降噪功能也成為了重要的需求。通話降噪不僅僅是解決在復(fù)雜環(huán)境中高質(zhì)量的通話，也是進(jìn)行語(yǔ)音交互的基礎(chǔ)，TWS耳機(jī)很有可能成為下一個(gè)真正的語(yǔ)音交互入口。
因此通話降噪技術(shù)依然是各大廠商們研發(fā)TWS耳機(jī)的重要一環(huán)。現(xiàn)階段的主流方案是多傳感器和算法加持，標(biāo)桿還是AirPods。（庫(kù)克打錢(qián)?。?br /> 想要進(jìn)行通話降噪，首先得接收到說(shuō)話人的語(yǔ)音。最常見(jiàn)解決拾音問(wèn)題的傳感器就是麥克風(fēng)。

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在發(fā)展早年，消費(fèi)電子使用的麥克風(fēng)都是駐極體電容麥克風(fēng)（ECM），這種設(shè)備與生俱來(lái)帶有體積龐大、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提升體驗(yàn)，樓氏電子在1996年搭建了MEMS系統(tǒng)，并與2002年推出了第一款的SiSonic MEMS麥克風(fēng)。因?yàn)槠湎忍靸?yōu)勢(shì)，逐漸受到了移動(dòng)設(shè)備的歡迎。
MEMS麥克風(fēng)

MEMS，全拼Micro-Electro-Mechanical System，也就是微機(jī)電系統(tǒng)。這是一種既有機(jī)械部件又有電子部件的微型機(jī)器。既然是個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)然會(huì)由很多部分組成。
MEMS由微傳感器、微處理器、微執(zhí)行器、數(shù)據(jù)處理單元和可以與外部部件交互的部件等部件組成。但它的物理尺寸從幾毫米到不到一微米不等，這個(gè)尺寸比人類(lèi)頭發(fā)的寬度小很多倍。

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現(xiàn)在MEMS通常用于描述一類(lèi)微機(jī)械電子設(shè)備和制造它們的過(guò)程。一些微機(jī)電系統(tǒng)甚至沒(méi)有機(jī)械部件，但它們被歸類(lèi)為微機(jī)電系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪箓鹘y(tǒng)機(jī)械中使用的結(jié)構(gòu)(如彈簧、腔、孔和膜)小型化。一些MEMS將測(cè)量到的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光學(xué)信號(hào)，因此它們也可以稱為傳感器。
MEMS麥克風(fēng)就是基于MEMS技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將電容器集成在微硅晶片上，把聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。
它由一個(gè)靈活懸掛的膜片組成，可以自由地在固定的背板上移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)形成一個(gè)可變電容器，傳入的聲壓波通過(guò)后板上的孔，使振膜按壓縮波和稀疏波振幅的比例移動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)改變了膜片和背板之間的距離，從而改變了電容，也就轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。

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MEMS麥克風(fēng)的電容隨聲波振幅的變化而變化
在硅制造過(guò)程中的嚴(yán)格控制使得用MEMS技術(shù)制造麥克風(fēng)堅(jiān)固耐用、尺寸小巧、穩(wěn)定度高且功耗低。因此MEMS麥克風(fēng)被廣泛應(yīng)用于平板電腦、臺(tái)式電腦、耳機(jī)和電話會(huì)議終端，以及環(huán)境噪音監(jiān)測(cè)器和監(jiān)視和執(zhí)法設(shè)備等專業(yè)設(shè)備。

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存在的問(wèn)題是MEMS麥克風(fēng)是全指向性傳聲器。什么是指向性？指向性是指聲音到達(dá)方向的相關(guān)靈敏度響應(yīng)，一般分為全向型、8字型、心型、超心型、超超心型等。

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全指向性意味著靈敏度在麥克風(fēng)音源周?chē)疾粫?huì)發(fā)生變化。這樣的特性適合于某些應(yīng)用，例如需要固定麥克風(fēng)來(lái)捕捉來(lái)自不確定方向或移動(dòng)聲源的聲音。然而另一方面，全向性允許環(huán)境噪聲與有用聲源競(jìng)爭(zhēng)，可能導(dǎo)致音頻不清晰或難以分辨。
可以想象一下，如果只有一個(gè)全向型麥克風(fēng)接收你的聲音，勢(shì)必也會(huì)接收各種環(huán)境噪聲，通話質(zhì)量就會(huì)變差。

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因此如果需要準(zhǔn)確拾取語(yǔ)音，就得通過(guò)增強(qiáng)來(lái)自人說(shuō)話方向的聲音并衰減其他方向的聲音來(lái)克服這一問(wèn)題，也就是波束形成技術(shù)。
波束形成技術(shù)

波束形成是一種信號(hào)處理技術(shù)，用于傳感器陣列的定向信號(hào)傳輸或接收。這是通過(guò)組合相控陣中的元素，使特定角度的信號(hào)相長(zhǎng)干涉，而其他角度的信號(hào)相消干涉。

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相長(zhǎng)干涉與相消干涉
波束形成運(yùn)用在聲波上的歷史可追溯到第一次世界大戰(zhàn)。法國(guó)軍隊(duì)使用一種陣列進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。該陣列由兩個(gè)子陣列組成，其中包含六個(gè)位于六邊形上的倒置喇叭形式的聲學(xué)傳感器。每個(gè)子陣列的傳感器被放入到一個(gè)聲波導(dǎo)管中。
兩條長(zhǎng)度相等的導(dǎo)管被輸送到聽(tīng)力正常的人的耳朵里。到達(dá)耳朵的信號(hào)是六個(gè)傳感器的平均值，相當(dāng)于現(xiàn)在六個(gè)麥克風(fēng)的環(huán)形陣列。兩個(gè)子陣列之間相隔約兩米，這將聽(tīng)力者的自然定向定位能力提高了約10倍。

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將來(lái)自多個(gè)麥克風(fēng)的經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)組合起來(lái)，可以增強(qiáng)所需的信號(hào)，并將不必要的背景噪音降到最低。
由于硬件、計(jì)算機(jī)沒(méi)有完全發(fā)展起來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用受到了很多限制。從第一次世界大戰(zhàn)到1974年第一個(gè)基于麥克風(fēng)的系統(tǒng)出現(xiàn)，花了將近60年的時(shí)間。當(dāng)時(shí)John Billingsley提出了一個(gè)基于麥克風(fēng)陣列的聲望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)得到聲源的空間分布。
隨著硬件的改進(jìn)，使得增加麥克風(fēng)的數(shù)量、采樣頻率和動(dòng)態(tài)分析范圍成為可能。在較大的頻率范圍和較低的旁瓣下，可以優(yōu)化麥克風(fēng)分布的幾何形狀。計(jì)算能力的提高使得實(shí)時(shí)性處理得到可能。

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因此波束形成應(yīng)用的例子隨處可見(jiàn)。例如智能音箱、智能家居、機(jī)器人等。
該技術(shù)不僅運(yùn)用于麥克風(fēng)陣列，還可運(yùn)用于無(wú)線電波，例如WIFI路由器，波束形成可以將Wi-Fi信號(hào)聚焦到一個(gè)特定的方向，因此可以為每臺(tái)設(shè)備提供更快、更強(qiáng)、范圍更廣的Wi-Fi信號(hào)。

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目前市面上TWS耳機(jī)通常以兩個(gè)mems麥克風(fēng)構(gòu)成陣列實(shí)現(xiàn)波束形成。一個(gè)麥克風(fēng)位于耳機(jī)底部，另一個(gè)麥克風(fēng)在入耳的背面開(kāi)口處。

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一般而言，通過(guò)波束成形的原理讓麥克風(fēng)拾取指定方向的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，然后利用其空間信息削弱非語(yǔ)音方向的干擾噪聲。這種方案對(duì)于動(dòng)態(tài)低頻噪聲抑制有限，并且在大風(fēng)噪的情況下，淹沒(méi)在風(fēng)噪里面的信號(hào)也會(huì)被濾除。
雙麥克風(fēng)波束形成的效果沒(méi)有達(dá)到完美，技術(shù)人員也不會(huì)僅限于此。那么如何改進(jìn)呢？
下期再見(jiàn)！
【參考資料】
1.https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/mems-microphones-future-for-hearing-aids.html#
2.Michel U . History of acoustic beamforming[C]// 1st. Berlin Beamforming Conference. DLR, 2006.
3.J. Billingsley, “An acoustic telescope,” Aeronautical Research Council ARC 35/364. 1974.

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