作者：望墨溢（西北工業(ye) 大學 航海學院）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

不知道你是否注意過，大人物發表公眾(zhong) 講話時，麵前總是要擺幾個(ge) 話筒：

（圖片來源：作者提供）

這是為(wei) 什麽(me) ？你可能會(hui) 說，話筒多可以提高音量（那難道就不能調調音量鍵麽(me) ）？還是防止某個(ge) 話筒突然故障（有一定的原因在裏麵，那也不用那麽(me) 多吧）？抑或隻是為(wei) 了氣勢（那難道每個(ge) 大人物都這麽(me) “好麵子”）？

（圖片來源：veer圖庫）

再仔細想想，還真不能簡單地調音量鍵，因為(wei) 單個(ge) 話筒的揚聲器可不認識什麽(me) 大人物小人物，會(hui) 連在當場的其他人的聲音一起收錄進去，一起提高一起降低。除非，話筒裏隻提高大人物的聲音！

（圖片來源：作者繪製）

那為(wei) 什麽(me) 擺多個(ge) 話筒就能隻提高大人物的音量，而提高不其它來源（觀眾(zhong) ）的音量呢？這就要講一講聲納探測技術了！

接下來，大院er將用“小故事+理論分析+靈魂插圖”帶你認識一下這門技術。

奇怪的跑步比賽

有一天，學校上體(ti) 育課，老師讓小朋友們(men) 比賽跑步，小朋友們(men) 等間隔地站在跑道上，等待老師信號槍。槍響了，老師卻愣住了，期待的小朋友們(men) 爭(zheng) 先恐後的情景並沒有出現。

（圖片來源：veer圖庫）

原來這幫調皮的小朋友們(men) 早就達成一致，每個(ge) 人速度都一樣，平行著跑“。

可快到終點時，大家才發現，原來操場的跑道不是直的，終點線和起點線不平行，任意相鄰兩(liang) 個(ge) 小朋友間，靠近左邊的要比靠近右邊的多跑X米。（老師：“早就說我們(men) 學校的操場該修了！）

（圖片來源：作者繪製）

那該怎麽(me) 打成績，從(cong) 速度上大家都應該是第一名，但是明明大家到達終點的時間又不一樣。老師靈機一動：“幸好我大學高數沒掛，根據XX公式，這種‘不公平‘是可以量化的，隻要知道小朋友跑來的方向就行。給每個(ge) 小朋友成績乘個(ge) 補償(chang) 係數就行，這樣大家就真的都是第一名了，總成績最高。小侯乘a，小馬乘b，二狗子乘c……”

可是，老師發現忘記了小朋友跑來的方向，算不了係數，隻有看著各個(ge) 小朋友最後的測試成績發愣。

這時，白胡子校長出現，拍拍老師的肩：“這是對你們(men) 年輕老師能力的考驗，你試試不同的係數，看哪個(ge) 係數能讓大家都是第一名，這個(ge) 係數對應的方向不就是跑來的方向了麽(me) ？”

原來如此！看完這個(ge) 故事，你們(men) 記住了什麽(me) ？詭異的跑道？聰明的校長？其實，這些都不是關(guan) 鍵！你已經對水下聲納探測技術有了初步了解！

聲納是怎麽(me) “看到”目標的？

回到文章開始的話題：話筒是怎麽(me) “看見”大人物的？原理其實跟聲納探測類似，水下的聲納可以知道目標（魚雷、敵方艦艇）的方位，可聲納又沒有眼睛，是怎麽(me) “看見”目標的呢？

這裏要介紹一個(ge) 概念：陣列(Array)。聲納的核心是多個(ge) 傳(chuan) 感器（水聽器）組成的陣列，即按一定規律擺放。為(wei) 了和前麵的話筒擺放對應，本文隻介紹最簡單的均勻線列陣(Uniform Linear Array)：

（圖片來源：作者繪製）

（前情回放：雖然劣質，但確實是等間隔的跑道）

均勻線列陣是怎麽(me) 工作的？這裏需要一個(ge) 小星空体育官网入口网站：當水聲信號從(cong) 遠方傳(chuan) 來時，我們(men) 可以認為(wei) 聲波是平行波(Parallel Wave)，這類似於(yu) 太陽光：雖然是點光源，但因為(wei) 光源夠遠，到達地球的太陽光被認為(wei) 是平行的。

（圖片來源：作者繪製）

（前情回放：小朋友平行著跑，速度都一樣。）

平行光的一大特點就是在相互垂直的波麵(Wavefront)上，相位一致。但陣列和波麵往往不平行，也就導致到達相鄰傳(chuan) 感器的聲波差了相同的距離。

（圖片來源：作者繪製）

（前情回放：操場的跑道線不平行，相鄰兩(liang) 人要多跑相同的距離）

不過還好的是，這份差距可以求得，而且均勻。我們(men) 認為(wei) 均勻線列陣中，相鄰兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器接收到的聲波差了同樣的波程(Wave Path)，也就是波走過的路程。

路程對應時間，我們(men) 可以說相鄰兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器接收到的聲波差了同一個(ge) 時差（距離除以聲速）；時間對應相位，我們(men) 可以說相鄰兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器接收到的聲波差了同一個(ge) 相位（角速度乘以時間）。

（圖片來源：作者繪製）

這裏需要另一個(ge) 小星空体育官网入口网站：虛數改變相位。你有沒有好奇過，我們(men) 中學學的“虛數”到底有什麽(me) 用？其實，一種用途是：對應相位（時間），什麽(me) 意思，就是說等價(jia) 於(yu) 。

（圖片來源：作者繪製）

這樣，我們(men) 就可以說相鄰兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器接收到的聲波差了同一個(ge) 係數，在聲納最好的情況下，這個(ge) 係數隻和聲波傳(chuan) 來的角度有關(guan) 。

（前情回放：這種“不公平”是可量化，並且隻和小朋友跑來的方向有關(guan) ）

如果我們(men) 給每個(ge) 傳(chuan) 感器乘上對應的係數，注意，這裏有個(ge) 負號，也就是補償(chang) 它們(men) 之間的相位差。然後，我們(men) 就可以得到完全一樣的信號，這樣相加的結果最大。

（前情回放：體(ti) 育老師根據XX公式，給大家的成績都乘對補償(chang) 係數，讓大家都是第一）

（圖片來源：作者繪製）

把上述過程反過來再看，就是聲納探測中經常遇到的問題了：如果現在不知道目標的角度，隻知道各個(ge) 傳(chuan) 感器接受到的聲波，怎麽(me) 才能算出目標的角度？

（前情回放：忘了小朋友來的方向，算不了係數，老師隻知道各個(ge) 小朋友的成績）

我們(men) 讓每個(ge) 傳(chuan) 感器的係數（隻和聲波角度有關(guan) ）按照角度輪流試一遍，找最大值對應的角度，聲納就認為(wei) 是目標的方向，這個(ge) 過程被稱為(wei) 方位估計(DOA)，我們(men) 在聲納中把主瓣(Major Lobe)的峰值認為(wei) 是目標的方位（我們(men) 把DOA方向圖中的突起比作是一個(ge) 一個(ge) 的花瓣，而最高的那一個(ge) 就是主瓣，見下圖）。

（前情回放：白胡子校長：給小朋友的成績乘以不同的係數，看看哪個(ge) 係數讓大家都是第一名）

（圖片來源：作者繪製）

（上圖為(wei) 聲波從(cong) 60°方向傳(chuan) 來時，傳(chuan) 感器乘以對應不同角度的係數後的結果。可以看出，當係數也對應60°時，輸出最大。）

換句話說，聲納隻放大主瓣方位的聲波。從(cong) 此，聲納長了眼睛，能“看見”目標了。

終於(yu) 知道為(wei) 啥要擺一排話筒了

與(yu) 聲納類似，話筒相當於(yu) 另一種傳(chuan) 感器麽(me) 。隻要事先設定好各個(ge) 話筒的係數，就可以做到隻放大特定的聲音（大人物），而不放大其它方向的聲音（觀眾(zhong) ），揚聲器由此也能“看得見”大人物了。

（圖片來源：作者繪製）

甚至於(yu) ，如果這些係數是可以自調節的，能做到大人物走到哪，主瓣（想要放大的信號來源角度）指到哪，實現自適應的信號處理。

話筒陣列：大哥，您隨便蹦躂，我隨時指向著您嘞（圖片來源：作者繪製）

從(cong) 此，那些個(ge) 大人物公眾(zhong) 講話就自帶有方位識別的擴音器了：“為(wei) 了表達更偉(wei) 大的思想，我需要這個(ge) 擴音器”。

（圖片來源：作者提供）

另外，主瓣可以不隻一個(ge) ！主瓣數量最多可以比（傳(chuan) 感器）話筒數量少1個(ge) ，也就是說，理論上，3個(ge) 話筒可以同時放大兩(liang) 個(ge) 不同位置大人物的聲音。

不過一般這種嚴(yan) 肅場合同時隻會(hui) 有一個(ge) 人發言，因此，更多的情景是用兩(liang) 個(ge) 話筒（1+1）。

（圖片來源：veer圖庫）

是不是話筒越多越好？

最後，話筒數是否越多越好呢？是的，其實隨著話筒（傳(chuan) 感器）數增多，並不會(hui) 改變對大人物聲音的放大程度（主瓣級(Major Lobe Level）），以及對觀眾(zhong) 聲音的放大程度，但可以讓主瓣更窄（分辨率更高），即認人更準。

也就是說，發表講話時存在一個(ge) 最佳的角度，以前大人物站在12°、13°都一樣，但現在可不一樣嘍。


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