TWS耳机靠颜值？不，通话降噪才是硬实力

科技阎罗

毫无疑问，TWS耳机已成为了时尚单品。
但是如果因为环境嘈杂且耳机通话降噪功能不好，接电话还要把耳机摘了用手机接的话，心里难免膈应。
弄潮儿：我要这耳机有何用？！
小编：不要给我！



随着 TWS耳机逐渐解决稳定连接的基本问题后，通话降噪功能也成为了重要的需求。通话降噪不仅仅是解决在复杂环境中高质量的通话，也是进行语音交互的基础，TWS耳机很有可能成为下一个真正的语音交互入口。
因此通话降噪技术依然是各大厂商们研发TWS耳机的重要一环。现阶段的主流方案是多传感器和算法加持，标杆还是AirPods。（库克打钱！）
想要进行通话降噪，首先得接收到说话人的语音。最常见解决拾音问题的传感器就是麦克风。



在发展早年，消费电子使用的麦克风都是驻极体电容麦克风（ECM），这种设备与生俱来带有体积庞大、稳定性差等缺点。为了进一步提升体验，楼氏电子在1996年搭建了MEMS系统，并与2002年推出了第一款的SiSonic MEMS麦克风。因为其先天优势，逐渐受到了移动设备的欢迎。
MEMS麦克风

MEMS，全拼Micro-Electro-Mechanical System，也就是微机电系统。这是一种既有机械部件又有电子部件的微型机器。既然是个系统，当然会由很多部分组成。
MEMS由微传感器、微处理器、微执行器、数据处理单元和可以与外部部件交互的部件等部件组成。但它的物理尺寸从几毫米到不到一微米不等，这个尺寸比人类头发的宽度小很多倍。



现在MEMS通常用于描述一类微机械电子设备和制造它们的过程。一些微机电系统甚至没有机械部件，但它们被归类为微机电系统，因为它们使传统机械中使用的结构(如弹簧、腔、孔和膜)小型化。一些MEMS将测量到的机械信号转换成电信号或光学信号，因此它们也可以称为传感器。
MEMS麦克风就是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是将电容器集成在微硅晶片上，把声信号转化为电信号的传感器。
它由一个灵活悬挂的膜片组成，可以自由地在固定的背板上移动。这种结构形成一个可变电容器，传入的声压波通过后板上的孔，使振膜按压缩波和稀疏波振幅的比例移动。这一运动改变了膜片和背板之间的距离，从而改变了电容，也就转化成了电信号。



MEMS麦克风的电容随声波振幅的变化而变化
在硅制造过程中的严格控制使得用MEMS技术制造麦克风坚固耐用、尺寸小巧、稳定度高且功耗低。因此MEMS麦克风被广泛应用于平板电脑、台式电脑、耳机和电话会议终端，以及环境噪音监测器和监视和执法设备等专业设备。



存在的问题是MEMS麦克风是全指向性传声器。什么是指向性？指向性是指声音到达方向的相关灵敏度响应，一般分为全向型、8字型、心型、超心型、超超心型等。



全指向性意味着灵敏度在麦克风音源周围都不会发生变化。这样的特性适合于某些应用，例如需要固定麦克风来捕捉来自不确定方向或移动声源的声音。然而另一方面，全向性允许环境噪声与有用声源竞争，可能导致音频不清晰或难以分辨。
可以想象一下，如果只有一个全向型麦克风接收你的声音，势必也会接收各种环境噪声，通话质量就会变差。



因此如果需要准确拾取语音，就得通过增强来自人说话方向的声音并衰减其他方向的声音来克服这一问题，也就是波束形成技术。
波束形成技术

波束形成是一种信号处理技术，用于传感器阵列的定向信号传输或接收。这是通过组合相控阵中的元素，使特定角度的信号相长干涉，而其他角度的信号相消干涉。



相长干涉与相消干涉
波束形成运用在声波上的历史可追溯到第一次世界大战。法国军队使用一种阵列进行监听。该阵列由两个子阵列组成，其中包含六个位于六边形上的倒置喇叭形式的声学传感器。每个子阵列的传感器被放入到一个声波导管中。
两条长度相等的导管被输送到听力正常的人的耳朵里。到达耳朵的信号是六个传感器的平均值，相当于现在六个麦克风的环形阵列。两个子阵列之间相隔约两米，这将听力者的自然定向定位能力提高了约10倍。



将来自多个麦克风的经过处理的信号组合起来，可以增强所需的信号，并将不必要的背景噪音降到最低。
由于硬件、计算机没有完全发展起来，这项技术的应用受到了很多限制。从第一次世界大战到1974年第一个基于麦克风的系统出现，花了将近60年的时间。当时John Billingsley提出了一个基于麦克风阵列的声望远镜，用来得到声源的空间分布。
随着硬件的改进，使得增加麦克风的数量、采样频率和动态分析范围成为可能。在较大的频率范围和较低的旁瓣下，可以优化麦克风分布的几何形状。计算能力的提高使得实时性处理得到可能。



因此波束形成应用的例子随处可见。例如智能音箱、智能家居、机器人等。
该技术不仅运用于麦克风阵列，还可运用于无线电波，例如WIFI路由器，波束形成可以将Wi-Fi信号聚焦到一个特定的方向，因此可以为每台设备提供更快、更强、范围更广的Wi-Fi信号。



目前市面上TWS耳机通常以两个mems麦克风构成阵列实现波束形成。一个麦克风位于耳机底部，另一个麦克风在入耳的背面开口处。



一般而言，通过波束成形的原理让麦克风拾取指定方向的目标语音信号，然后利用其空间信息削弱非语音方向的干扰噪声。这种方案对于动态低频噪声抑制有限，并且在大风噪的情况下，淹没在风噪里面的信号也会被滤除。
双麦克风波束形成的效果没有达到完美，技术人员也不会仅限于此。那么如何改进呢？
下期再见！
【参考资料】
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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