TWS耳機靠顏值？不，通話降噪才是硬實力

科技閻羅

毫無疑問，TWS耳機已成為了時尚單品。
但是如果因為環(huán)境嘈雜且耳機通話降噪功能不好，接電話還要把耳機摘了用手機接的話，心里難免膈應(yīng)。
弄潮兒：我要這耳機有何用？！
小編：不要給我！

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隨著 TWS耳機逐漸解決穩(wěn)定連接的基本問題后，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，也是進行語音交互的基礎(chǔ)，TWS耳機很有可能成為下一個真正的語音交互入口。
因此通話降噪技術(shù)依然是各大廠商們研發(fā)TWS耳機的重要一環(huán)?，F(xiàn)階段的主流方案是多傳感器和算法加持，標桿還是AirPods。（庫克打錢?。?br /> 想要進行通話降噪，首先得接收到說話人的語音。最常見解決拾音問題的傳感器就是麥克風。

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在發(fā)展早年，消費電子使用的麥克風都是駐極體電容麥克風（ECM），這種設(shè)備與生俱來帶有體積龐大、穩(wěn)定性差等缺點。為了進一步提升體驗，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。因為其先天優(yōu)勢，逐漸受到了移動設(shè)備的歡迎。
MEMS麥克風

MEMS，全拼Micro-Electro-Mechanical System，也就是微機電系統(tǒng)。這是一種既有機械部件又有電子部件的微型機器。既然是個系統(tǒng)，當然會由很多部分組成。
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，這個尺寸比人類頭發(fā)的寬度小很多倍。

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現(xiàn)在MEMS通常用于描述一類微機械電子設(shè)備和制造它們的過程。一些微機電系統(tǒng)甚至沒有機械部件，但它們被歸類為微機電系統(tǒng)，因為它們使傳統(tǒng)機械中使用的結(jié)構(gòu)(如彈簧、腔、孔和膜)小型化。一些MEMS將測量到的機械信號轉(zhuǎn)換成電信號或光學信號，因此它們也可以稱為傳感器。
MEMS麥克風就是基于MEMS技術(shù)制造的麥克風，簡單的說就是將電容器集成在微硅晶片上，把聲信號轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。
它由一個靈活懸掛的膜片組成，可以自由地在固定的背板上移動。這種結(jié)構(gòu)形成一個可變電容器，傳入的聲壓波通過后板上的孔，使振膜按壓縮波和稀疏波振幅的比例移動。這一運動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。

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

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存在的問題是MEMS麥克風是全指向性傳聲器。什么是指向性？指向性是指聲音到達方向的相關(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音源周圍都不會發(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來捕捉來自不確定方向或移動聲源的聲音。然而另一方面，全向性允許環(huán)境噪聲與有用聲源競爭，可能導(dǎo)致音頻不清晰或難以分辨。
可以想象一下，如果只有一個全向型麥克風接收你的聲音，勢必也會接收各種環(huán)境噪聲，通話質(zhì)量就會變差。

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因此如果需要準確拾取語音，就得通過增強來自人說話方向的聲音并衰減其他方向的聲音來克服這一問題，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處理技術(shù)，用于傳感器陣列的定向信號傳輸或接收。這是通過組合相控陣中的元素，使特定角度的信號相長干涉，而其他角度的信號相消干涉。

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

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將來自多個麥克風的經(jīng)過處理的信號組合起來，可以增強所需的信號，并將不必要的背景噪音降到最低。
由于硬件、計算機沒有完全發(fā)展起來，這項技術(shù)的應(yīng)用受到了很多限制。從第一次世界大戰(zhàn)到1974年第一個基于麥克風的系統(tǒng)出現(xiàn)，花了將近60年的時間。當時John Billingsley提出了一個基于麥克風陣列的聲望遠鏡，用來得到聲源的空間分布。
隨著硬件的改進，使得增加麥克風的數(shù)量、采樣頻率和動態(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)化麥克風分布的幾何形狀。計算能力的提高使得實時性處理得到可能。

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

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目前市面上TWS耳機通常以兩個mems麥克風構(gòu)成陣列實現(xiàn)波束形成。一個麥克風位于耳機底部，另一個麥克風在入耳的背面開口處。

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一般而言，通過波束成形的原理讓麥克風拾取指定方向的目標語音信號，然后利用其空間信息削弱非語音方向的干擾噪聲。這種方案對于動態(tài)低頻噪聲抑制有限，并且在大風噪的情況下，淹沒在風噪里面的信號也會被濾除。
雙麥克風波束形成的效果沒有達到完美，技術(shù)人員也不會僅限于此。那么如何改進呢？
下期再見！
【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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