作者：望墨溢（西北工業(yè)大學 航海學院）

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

不知道你是否注意過，大人物發(fā)表公眾講話時，面前總是要擺幾個話筒：

（圖片來源：作者提供）

這是為什么？你可能會說，話筒多可以提高音量（那難道就不能調調音量鍵么）？還是防止某個話筒突然故障（有一定的原因在里面，那也不用那么多吧）？抑或只是為了氣勢（那難道每個大人物都這么“好面子”）？

（圖片來源：veer圖庫）

再仔細想想，還真不能簡單地調音量鍵，因為單個話筒的揚聲器可不認識什么大人物小人物，會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，話筒里只提高大人物的聲音！

（圖片來源：作者繪制）

那為什么擺多個話筒就能只提高大人物的音量，而提高不其它來源（觀眾）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，學校上體育課，老師讓小朋友們比賽跑步，小朋友們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，期待的小朋友們爭先恐后的情景并沒有出現(xiàn)。

（圖片來源：veer圖庫）

原來這幫調皮的小朋友們早就達成一致，每個人速度都一樣，平行著跑“。

可快到終點時，大家才發(fā)現(xiàn)，原來操場的跑道不是直的，終點線和起點線不平行，任意相鄰兩個小朋友間，靠近左邊的要比靠近右邊的多跑X米。（老師：“早就說我們學校的操場該修了！）

（圖片來源：作者繪制）

那該怎么打成績，從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(shù)沒掛，根據(jù)XX公式，這種‘不公平‘是可以量化的，只要知道小朋友跑來的方向就行。給每個小朋友成績乘個補償系數(shù)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(fā)現(xiàn)忘記了小朋友跑來的方向，算不了系數(shù)，只有看著各個小朋友最后的測試成績發(fā)愣。

這時，白胡子校長出現(xiàn)，拍拍老師的肩：“這是對你們年輕老師能力的考驗，你試試不同的系數(shù)，看哪個系數(shù)能讓大家都是第一名，這個系數(shù)對應的方向不就是跑來的方向了么？”

原來如此！看完這個故事，你們記住了什么？詭異的跑道？聰明的校長？其實，這些都不是關鍵！你已經(jīng)對水下聲納探測技術有了初步了解！

聲納是怎么“看到”目標的？

回到文章開始的話題：話筒是怎么“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，是怎么“看見”目標的呢？

這里要介紹一個概念：陣列(Array)。聲納的核心是多個傳感器（水聽器）組成的陣列，即按一定規(guī)律擺放。為了和前面的話筒擺放對應，本文只介紹最簡單的均勻線列陣(Uniform Linear Array)：

（圖片來源：作者繪制）

（前情回放：雖然劣質，但確實是等間隔的跑道）

均勻線列陣是怎么工作的？這里需要一個小知識：當水聲信號從遠方傳來時，我們可以認為聲波是平行波(Parallel Wave)，這類似于太陽光：雖然是點光源，但因為光源夠遠，到達地球的太陽光被認為是平行的。

（圖片來源：作者繪制）

（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面(Wavefront)上，相位一致。但陣列和波面往往不平行，也就導致到達相鄰傳感器的聲波差了相同的距離。

（圖片來源：作者繪制）

（前情回放：操場的跑道線不平行，相鄰兩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。我們認為均勻線列陣中，相鄰兩個傳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，我們可以說相鄰兩個傳感器接收到的聲波差了同一個時差（距離除以聲速）；時間對應相位，我們可以說相鄰兩個傳感器接收到的聲波差了同一個相位（角速度乘以時間）。

（圖片來源：作者繪制）

這里需要另一個小知識：虛數(shù)改變相位。你有沒有好奇過，我們中學學的“虛數(shù)”到底有什么用？其實，一種用途是：對應相位（時間），什么意思，就是說等價于。

（圖片來源：作者繪制）

這樣，我們就可以說相鄰兩個傳感器接收到的聲波差了同一個系數(shù)，在聲納最好的情況下，這個系數(shù)只和聲波傳來的角度有關。

（前情回放：這種“不公平”是可量化，并且只和小朋友跑來的方向有關）

如果我們給每個傳感器乘上對應的系數(shù)，注意，這里有個負號，也就是補償它們之間的相位差。然后，我們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：體育老師根據(jù)XX公式，給大家的成績都乘對補償系數(shù)，讓大家都是第一）

（圖片來源：作者繪制）

把上述過程反過來再看，就是聲納探測中經(jīng)常遇到的問題了：如果現(xiàn)在不知道目標的角度，只知道各個傳感器接受到的聲波，怎么才能算出目標的角度？

（前情回放：忘了小朋友來的方向，算不了系數(shù)，老師只知道各個小朋友的成績）

我們讓每個傳感器的系數(shù)（只和聲波角度有關）按照角度輪流試一遍，找最大值對應的角度，聲納就認為是目標的方向，這個過程被稱為方位估計(DOA)，我們在聲納中把主瓣(Major Lobe)的峰值認為是目標的方位（我們把DOA方向圖中的突起比作是一個一個的花瓣，而最高的那一個就是主瓣，見下圖）。

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

（圖片來源：作者繪制）

（上圖為聲波從60°方向傳來時，傳感器乘以對應不同角度的系數(shù)后的結果?？梢钥闯觯斚禂?shù)也對應60°時，輸出最大。）

換句話說，聲納只放大主瓣方位的聲波。從此，聲納長了眼睛，能“看見”目標了。

終于知道為啥要擺一排話筒了

與聲納類似，話筒相當于另一種傳感器么。只要事先設定好各個話筒的系數(shù)，就可以做到只放大特定的聲音（大人物），而不放大其它方向的聲音（觀眾），揚聲器由此也能“看得見”大人物了。

（圖片來源：作者繪制）

甚至于，如果這些系數(shù)是可以自調節(jié)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(xiàn)自適應的信號處理。

話筒陣列：大哥，您隨便蹦跶，我隨時指向著您嘞（圖片來源：作者繪制）

從此，那些個大人物公眾講話就自帶有方位識別的擴音器了：“為了表達更偉大的思想，我需要這個擴音器”。

（圖片來源：作者提供）

另外，主瓣可以不只一個！主瓣數(shù)量最多可以比（傳感器）話筒數(shù)量少1個，也就是說，理論上，3個話筒可以同時放大兩個不同位置大人物的聲音。

不過一般這種嚴肅場合同時只會有一個人發(fā)言，因此，更多的情景是用兩個話筒（1+1）。

（圖片來源：veer圖庫）

是不是話筒越多越好？

最后，話筒數(shù)是否越多越好呢？是的，其實隨著話筒（傳感器）數(shù)增多，并不會改變對大人物聲音的放大程度（主瓣級(Major Lobe Level）），以及對觀眾聲音的放大程度，但可以讓主瓣更窄（分辨率更高），即認人更準。

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


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