定向聲場分析和控制是一個值得探索的成熟領(lǐng)域。一個熟悉的例子是智能揚聲器家庭自動化設(shè)備，如 Amazon Echo、Google Home 或 Apple HomePod，它們可以使用到達的聲波的相位來確定設(shè)備感興趣的音頻來自的方向。這使得設(shè)備可以專注于單個語音源，而忽略來自其他方向的低電平語音或背景噪聲——從而大大提高語音識別的準(zhǔn)確性。

像 Amazon Echo 這樣的設(shè)備可以確定傳入聲音的方向，并使用麥克風(fēng)陣列將其與背景聲音隔離開來。亞馬遜 Echo 內(nèi)部工作原理的拆解說明可在互聯(lián)網(wǎng)上找到，它們在設(shè)備頂部附近展示了一組七個麥克風(fēng)。它們在中心排列為一個，六個等距分布在一個大約 75 毫米的圓周圍。每個麥克風(fēng)驅(qū)動自己的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器通道。信號處理軟件關(guān)聯(lián)聲音信號的振幅、相位和到達時間，并可以確定主要語音信號的方位。該軟件還可以使用算法來增強來自具有建設(shè)性干擾的主要方向的語音信號，同時抑制來自其他方向的具有破壞性干擾的背景噪聲信號。這些技術(shù)使設(shè)備能夠減少多種類型的背景噪音，并為語音識別算法提供更清晰的語音信號，從而提高靈敏度和語音識別準(zhǔn)確性。

為定向聲音設(shè)計火車汽笛

如果我們逆轉(zhuǎn)這個過程會怎樣？我們可以構(gòu)建一個揚聲器陣列，并應(yīng)用上述相反的技術(shù)來獲取輸入音頻信號，計算波形，并優(yōu)先將聲音從一個方向發(fā)出，同時抑制其他方向的表觀振幅。這種技術(shù)的一個很好的潛在用例是火車汽笛。根據(jù)交通安全法規(guī)，當(dāng)火車接近非豁免平交道口時——鐵路在同一水平面穿過公路——火車需要按特定的喇叭模式（長-長-短-長）。問題是，現(xiàn)代火車上的氣喇叭不是很有方向性，非常響亮（有些在 1 米處產(chǎn)生 145 分貝），并且在接近的高速公路交叉路口發(fā)出足夠的聲音以保證交通安全，軌道附近的建筑物也會收到非常響亮的聲音。這導(dǎo)致鐵路之間發(fā)生了無數(shù)次爭斗，鐵路希望 24/7 全天候安全使用軌道，而當(dāng)?shù)鼐用?市政當(dāng)局希望他們的社區(qū)安寧——尤其是在晚上。妥協(xié)通常會限制列車在夜間運行。這會削減鐵路的利潤。

因此，我們的想法是：在機車外部放置一個 XY 或 XYZ 揚聲器陣列——也許在駕駛室的頂部——并使用數(shù)字信號處理技術(shù)來塑造傳出的聲場，從而使警報聲的最大振幅到達高速公路，而軌道附近建筑物的振幅被大大抑制。信號鏈從音頻源開始。它可以是簡單的音調(diào)、多音調(diào)（許多火車?yán)仍?250-500Hz 范圍內(nèi)有兩到五個音符）或任何數(shù)字聲音文件。主控制器知道機車在哪里，平交道口在哪里，以及到應(yīng)該大聲警告的區(qū)域的距離/方向，以及應(yīng)該抑制聲音的其他附近區(qū)域。信號處理算法將數(shù)字聲源分成多個通道，并計算幅度的波形，每個通道的相位和延遲，因此產(chǎn)生的聲場在需要響亮的區(qū)域（如接近的道路）建設(shè)性地結(jié)合，并在安靜的區(qū)域破壞性地結(jié)合。這些信號通過一組數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設(shè)性干擾區(qū)域的方向和距離提供更精細的控制。這些信號通過一組數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設(shè)性干擾區(qū)域的方向和距離提供更精細的控制。這些信號通過一組數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設(shè)性干擾區(qū)域的方向和距離提供更精細的控制。

20攝氏度時250Hz的波長為1.376m。我們陣列中的一些揚聲器應(yīng)該具有這種間距順序，以便為最低頻率的聲音提供基本的方向性。500Hz 聲音的四分之一波長為 17.2 厘米，因此陣列中的其他揚聲器應(yīng)該相距這么遠，以便為信號處理算法提供更多控制點，從而更好地控制高頻聲音的方向性。幸運的是，可以找到適合這種占地面積的合適揚聲器，而且機車的體積足夠大，可以承載所需的陣列。

更進一步

我們可以超越簡單地向十字路口廣播高度定向的聲音。該陣列可以從源頭以特定角度和范圍創(chuàng)建高音量“孤島”。如果機車的全球定位系統(tǒng) (GPS) 知道它的位置，并且控制器知道高速公路的位置，則系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個“T”形聲場，道路上的音量很大，其他地方的音量很小。當(dāng)機車接近十字路口時，信號處理器不斷調(diào)整通道信號以改變距離。如果是客運列車，信號處理器可以更改音頻文件并調(diào)整聲場以覆蓋機車后方和旁邊的平臺，以便在火車準(zhǔn)備出發(fā)時播放“全部上車”警報，或警告軌道旁的維修人員它即將移動。而且當(dāng)然，仍然會有一個手動喇叭按鈕，可能會產(chǎn)生更全向的輻射模式。類似的技術(shù)可以應(yīng)用于公路和海上車輛，大大提高其聲音警告的復(fù)雜性。

學(xué)到更多

如果您想了解更多信息，美國專利 7,095,861 提供了有關(guān)塑造聲場的更多詳細信息。以這種方式塑造聲場可以為創(chuàng)造性地使用可聽信號和聽眾/特定位置的聲音應(yīng)用提供許多可能性。

關(guān)鍵點：

設(shè)計人員可以通過反向麥克風(fēng)技術(shù)來驅(qū)動揚聲器陣列和塑造聲場。

音頻源由 DSP 算法處理以計算驅(qū)動到揚聲器陣列的信號。

火車汽笛是一個完美的應(yīng)用示例，它在接近的高速公路上提供高音量，但對周圍的建筑物提供低音量。

CHARLES C. BYERS 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的副首席技術(shù)官，現(xiàn)在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計算系統(tǒng)、通用平臺、媒體處理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實施。此前，他是思科的首席工程師和平臺架構(gòu)師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實驗室研究員。在電信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的三十年中，他在語音交換、寬帶接入、融合網(wǎng)絡(luò)、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣霧計算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻。他還是多個標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者，包括擔(dān)任工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和 OpenFog 聯(lián)盟的首席技術(shù)官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獲得電氣和計算機工程學(xué)士學(xué)位以及電氣工程碩士學(xué)位。在業(yè)余時間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補補。他擁有 80 多項美國專利。

審核編輯黃宇