定向聲場分析和控制是一個值得探索的成熟領域。一個熟悉的例子是智能揚聲器家庭自動化設備，如 Amazon Echo、Google Home 或 Apple HomePod，它們可以使用到達的聲波的相位來確定設備感興趣的音頻來自的方向。這使得設備可以專注于單個語音源，而忽略來自其他方向的低電平語音或背景噪聲——從而大大提高語音識別的準確性。

像 Amazon Echo 這樣的設備可以確定傳入聲音的方向，并使用麥克風陣列將其與背景聲音隔離開來。亞馬遜 Echo 內部工作原理的拆解說明可在互聯網上找到，它們在設備頂部附近展示了一組七個麥克風。它們在中心排列為一個，六個等距分布在一個大約 75 毫米的圓周圍。每個麥克風驅動自己的模擬/數字轉換器通道。信號處理軟件關聯聲音信號的振幅、相位和到達時間，并可以確定主要語音信號的方位。該軟件還可以使用算法來增強來自具有建設性干擾的主要方向的語音信號，同時抑制來自其他方向的具有破壞性干擾的背景噪聲信號。這些技術使設備能夠減少多種類型的背景噪音，并為語音識別算法提供更清晰的語音信號，從而提高靈敏度和語音識別準確性。

為定向聲音設計火車汽笛

如果我們逆轉這個過程會怎樣？我們可以構建一個揚聲器陣列，并應用上述相反的技術來獲取輸入音頻信號，計算波形，并優先將聲音從一個方向發出，同時抑制其他方向的表觀振幅。這種技術的一個很好的潛在用例是火車汽笛。根據交通安全法規，當火車接近非豁免平交道口時——鐵路在同一水平面穿過公路——火車需要按特定的喇叭模式（長-長-短-長）。問題是，現代火車上的氣喇叭不是很有方向性，非常響亮（有些在 1 米處產生 145 分貝），并且在接近的高速公路交叉路口發出足夠的聲音以保證交通安全，軌道附近的建筑物也會收到非常響亮的聲音。這導致鐵路之間發生了無數次爭斗，鐵路希望 24/7 全天候安全使用軌道，而當地居民/市政當局希望他們的社區安寧——尤其是在晚上。妥協通常會限制列車在夜間運行。這會削減鐵路的利潤。

因此，我們的想法是：在機車外部放置一個 XY 或 XYZ 揚聲器陣列——也許在駕駛室的頂部——并使用數字信號處理技術來塑造傳出的聲場，從而使警報聲的最大振幅到達高速公路，而軌道附近建筑物的振幅被大大抑制。信號鏈從音頻源開始。它可以是簡單的音調、多音調（許多火車喇叭在 250-500Hz 范圍內有兩到五個音符）或任何數字聲音文件。主控制器知道機車在哪里，平交道口在哪里，以及到應該大聲警告的區域的距離/方向，以及應該抑制聲音的其他附近區域。信號處理算法將數字聲源分成多個通道，并計算幅度的波形，每個通道的相位和延遲，因此產生的聲場在需要響亮的區域（如接近的道路）建設性地結合，并在安靜的區域破壞性地結合。這些信號通過一組數模 (DAC) 轉換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設性干擾區域的方向和距離提供更精細的控制。這些信號通過一組數模 (DAC) 轉換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設性干擾區域的方向和距離提供更精細的控制。這些信號通過一組數模 (DAC) 轉換器和音頻放大器（或直接進入 D 類放大器），然后輸出到機車外部的一系列高功率揚聲器。與 Amazon Echo 一樣，大約七個通道可能足以提供方向控制，但十幾個或更多通道可以對建設性干擾區域的方向和距離提供更精細的控制。

20攝氏度時250Hz的波長為1.376m。我們陣列中的一些揚聲器應該具有這種間距順序，以便為最低頻率的聲音提供基本的方向性。500Hz 聲音的四分之一波長為 17.2 厘米，因此陣列中的其他揚聲器應該相距這么遠，以便為信號處理算法提供更多控制點，從而更好地控制高頻聲音的方向性。幸運的是，可以找到適合這種占地面積的合適揚聲器，而且機車的體積足夠大，可以承載所需的陣列。

更進一步

我們可以超越簡單地向十字路口廣播高度定向的聲音。該陣列可以從源頭以特定角度和范圍創建高音量“孤島”。如果機車的全球定位系統 (GPS) 知道它的位置，并且控制器知道高速公路的位置，則系統可以創建一個“T”形聲場，道路上的音量很大，其他地方的音量很小。當機車接近十字路口時，信號處理器不斷調整通道信號以改變距離。如果是客運列車，信號處理器可以更改音頻文件并調整聲場以覆蓋機車后方和旁邊的平臺，以便在火車準備出發時播放“全部上車”警報，或警告軌道旁的維修人員它即將移動。而且當然，仍然會有一個手動喇叭按鈕，可能會產生更全向的輻射模式。類似的技術可以應用于公路和海上車輛，大大提高其聲音警告的復雜性。

學到更多

如果您想了解更多信息，美國專利 7,095,861 提供了有關塑造聲場的更多詳細信息。以這種方式塑造聲場可以為創造性地使用可聽信號和聽眾/特定位置的聲音應用提供許多可能性。

關鍵點：

設計人員可以通過反向麥克風技術來驅動揚聲器陣列和塑造聲場。

音頻源由 DSP 算法處理以計算驅動到揚聲器陣列的信號。

火車汽笛是一個完美的應用示例，它在接近的高速公路上提供高音量，但對周圍的建筑物提供低音量。

CHARLES C. BYERS 是工業互聯網聯盟的副首席技術官，現在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計算系統、通用平臺、媒體處理系統和物聯網的架構和實施。此前，他是思科的首席工程師和平臺架構師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實驗室研究員。在電信網絡行業的三十年中，他在語音交換、寬帶接入、融合網絡、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣霧計算和物聯網等領域做出了重大貢獻。他還是多個標準機構的領導者，包括擔任工業互聯網聯盟和 OpenFog 聯盟的首席技術官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學麥迪遜分校獲得電氣和計算機工程學士學位以及電氣工程碩士學位。在業余時間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補補。他擁有 80 多項美國專利。

審核編輯黃宇