作者：望墨溢（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

不知道你是否注意過，大人物發(fā)表公眾講話時(shí)，面前總是要擺幾個(gè)話筒：

（圖片來源：作者提供）

這是為什么？你可能會(huì)說，話筒多可以提高音量（那難道就不能調(diào)調(diào)音量鍵么）？還是防止某個(gè)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(shì)（那難道每個(gè)大人物都這么“好面子”）？

（圖片來源：veer圖庫）

再仔細(xì)想想，還真不能簡(jiǎn)單地調(diào)音量鍵，因?yàn)閱蝹€(gè)話筒的揚(yáng)聲器可不認(rèn)識(shí)什么大人物小人物，會(huì)連在當(dāng)場(chǎng)的其他人的聲音一起收錄進(jìn)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(gè)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(cè)技術(shù)了！

接下來，大院er將用“小故事+理論分析+靈魂插圖”帶你認(rèn)識(shí)一下這門技術(shù)。

奇怪的跑步比賽

有一天，學(xué)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(hào)槍。槍響了，老師卻愣住了，期待的小朋友們爭(zhēng)先恐后的情景并沒有出現(xiàn)。

（圖片來源：veer圖庫）

原來這幫調(diào)皮的小朋友們?cè)缇瓦_(dá)成一致，每個(gè)人速度都一樣，平行著跑“。

可快到終點(diǎn)時(shí)，大家才發(fā)現(xiàn)，原來操場(chǎng)的跑道不是直的，終點(diǎn)線和起點(diǎn)線不平行，任意相鄰兩個(gè)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(xué)校的操場(chǎng)該修了?。?/p>

（圖片來源：作者繪制）

那該怎么打成績(jī)，從速度上大家都應(yīng)該是第一名，但是明明大家到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間又不一樣。老師靈機(jī)一動(dòng)：“幸好我大學(xué)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(gè)小朋友成績(jī)乘個(gè)補(bǔ)償系數(shù)就行，這樣大家就真的都是第一名了，總成績(jī)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(gè)小朋友最后的測(cè)試成績(jī)發(fā)愣。

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

原來如此！看完這個(gè)故事，你們記住了什么？詭異的跑道？聰明的校長(zhǎng)？其實(shí)，這些都不是關(guān)鍵！你已經(jīng)對(duì)水下聲納探測(cè)技術(shù)有了初步了解！

聲納是怎么“看到”目標(biāo)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(shí)跟聲納探測(cè)類似，水下的聲納可以知道目標(biāo)（魚雷、敵方艦艇）的方位，可聲納又沒有眼睛，是怎么“看見”目標(biāo)的呢？

這里要介紹一個(gè)概念：陣列(Array)。聲納的核心是多個(gè)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(duì)應(yīng)，本文只介紹最簡(jiǎn)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(zhì)，但確實(shí)是等間隔的跑道）

均勻線列陣是怎么工作的？這里需要一個(gè)小知識(shí)：當(dāng)水聲信號(hào)從遠(yuǎn)方傳來時(shí)，我們可以認(rèn)為聲波是平行波(Parallel Wave)，這類似于太陽光：雖然是點(diǎn)光源，但因?yàn)楣庠磯蜻h(yuǎn)，到達(dá)地球的太陽光被認(rèn)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(diǎn)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(dǎo)致到達(dá)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(chǎng)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(rèn)為均勻線列陣中，相鄰兩個(gè)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(duì)應(yīng)時(shí)間，我們可以說相鄰兩個(gè)傳感器接收到的聲波差了同一個(gè)時(shí)差（距離除以聲速）；時(shí)間對(duì)應(yīng)相位，我們可以說相鄰兩個(gè)傳感器接收到的聲波差了同一個(gè)相位（角速度乘以時(shí)間）。

（圖片來源：作者繪制）

這里需要另一個(gè)小知識(shí)：虛數(shù)改變相位。你有沒有好奇過，我們中學(xué)學(xué)的“虛數(shù)”到底有什么用？其實(shí)，一種用途是：對(duì)應(yīng)相位（時(shí)間），什么意思，就是說等價(jià)于。

（圖片來源：作者繪制）

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

（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(guān)）

如果我們給每個(gè)傳感器乘上對(duì)應(yīng)的系數(shù)，注意，這里有個(gè)負(fù)號(hào)，也就是補(bǔ)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(hào)，這樣相加的結(jié)果最大。

（前情回放：體育老師根據(jù)XX公式，給大家的成績(jī)都乘對(duì)補(bǔ)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(cè)中經(jīng)常遇到的問題了：如果現(xiàn)在不知道目標(biāo)的角度，只知道各個(gè)傳感器接受到的聲波，怎么才能算出目標(biāo)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(gè)小朋友的成績(jī)）

我們讓每個(gè)傳感器的系數(shù)（只和聲波角度有關(guān)）按照角度輪流試一遍，找最大值對(duì)應(yīng)的角度，聲納就認(rèn)為是目標(biāo)的方向，這個(gè)過程被稱為方位估計(jì)(DOA)，我們?cè)诼暭{中把主瓣(Major Lobe)的峰值認(rèn)為是目標(biāo)的方位（我們把DOA方向圖中的突起比作是一個(gè)一個(gè)的花瓣，而最高的那一個(gè)就是主瓣，見下圖）。

（前情回放：白胡子校長(zhǎng)：給小朋友的成績(jī)乘以不同的系數(shù)，看看哪個(gè)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(shí)，傳感器乘以對(duì)應(yīng)不同角度的系數(shù)后的結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)系數(shù)也對(duì)應(yīng)60°時(shí)，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(zhǎng)了眼睛，能“看見”目標(biāo)了。

終于知道為啥要擺一排話筒了

與聲納類似，話筒相當(dāng)于另一種傳感器么。只要事先設(shè)定好各個(gè)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(yáng)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(diào)節(jié)的，能做到大人物走到哪，主瓣（想要放大的信號(hào)來源角度）指到哪，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的信號(hào)處理。

話筒陣列：大哥，您隨便蹦跶，我隨時(shí)指向著您嘞（圖片來源：作者繪制）

從此，那些個(gè)大人物公眾講話就自帶有方位識(shí)別的擴(kuò)音器了：“為了表達(dá)更偉大的思想，我需要這個(gè)擴(kuò)音器”。

（圖片來源：作者提供）

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

不過一般這種嚴(yán)肅場(chǎng)合同時(shí)只會(huì)有一個(gè)人發(fā)言，因此，更多的情景是用兩個(gè)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(shí)隨著話筒（傳感器）數(shù)增多，并不會(huì)改變對(duì)大人物聲音的放大程度（主瓣級(jí)(Major Lobe Level）），以及對(duì)觀眾聲音的放大程度，但可以讓主瓣更窄（分辨率更高），即認(rèn)人更準(zhǔn)。

也就是說，發(fā)表講話時(shí)存在一個(gè)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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