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趣闻!为什么大人物讲话需要那么多话筒?

2019-07-09 09:14:36  来源:科学大院

不知道你是否注意过,大人物发表公众讲话时,面前总是要摆几个话筒(比如最近的G20峰会):

(图片来源:作者提供)

(图片来源:作者提供)

这是为什么?你可能会说,话筒多可以提高音量(那难道就不能调调音量键么)?还是防止某个话筒突然故障(有一定的原因在里面,那也不用那么多吧)?抑或只是为了气势(那难道每个大人物都这么“好面子”)?

(图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

再仔细想想,还真不能简单地调音量键,因为单个话筒的扬声器可不认识什么大人物小人物,会连在当场的其他人的声音一起收录进去,一起提高一起降低。除非,话筒里只提高大人物的声音!

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

那为什么摆多个话筒就能只提高大人物的音量,而提高不其它来源(观众)的音量呢?这就要讲一讲声纳探测技术了!

接下来,大院er将用“小故事+理论分析+灵魂插图”带你认识一下这门技术。

奇怪的跑步比赛

有一天,学校上体育课,老师让小朋友们比赛跑步,小朋友们等间隔地站在跑道上,等待老师信号枪。枪响了,老师却愣住了,期待的小朋友们争先恐后的情景并没有出现。

(图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

原来这帮调皮的小朋友们早就达成一致,每个人速度都一样,平行着跑“。

可快到终点时,大家才发现,原来操场的跑道不是直的,终点线和起点线不平行,任意相邻两个小朋友间,靠近左边的要比靠近右边的多跑X米。(老师:“早就说我们学校的操场该修了!)

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

那该怎么打成绩,从速度上大家都应该是第一名,但是明明大家到达终点的时间又不一样。老师灵机一动:“幸好我大学高数没挂,根据XX公式,这种‘不公平‘是可以量化的,只要知道小朋友跑来的方向就行。给每个小朋友成绩乘个补偿系数就行,这样大家就真的都是第一名了,总成绩最高。小侯乘a,小马乘b,二狗子乘c……”

可是,老师发现忘记了小朋友跑来的方向,算不了系数,只有看着各个小朋友最后的测试成绩发愣。

这时,白胡子校长出现,拍拍老师的肩:“这是对你们年轻老师能力的考验,你试试不同的系数,看哪个系数能让大家都是第一名,这个系数对应的方向不就是跑来的方向了么?”

原来如此!看完这个故事,你们记住了什么?诡异的跑道?聪明的校长?其实,这些都不是关键!你已经对水下声纳探测技术有了初步了解!

声纳是怎么“看到”目标的?

回到文章开始的话题:话筒是怎么“看见”大人物的?原理其实跟声纳探测类似,水下的声纳可以知道目标(鱼雷、敌方舰艇)的方位,可声纳又没有眼睛,是怎么“看见”目标的呢?

这里要介绍一个概念:阵列(Array)。声纳的核心是多个传感器(水听器)组成的阵列,即按一定规律摆放。为了和前面的话筒摆放对应,本文只介绍最简单的均匀线列阵(Uniform Linear Array):

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

均匀线列阵是怎么工作的?这里需要一个小知识:当水声信号从远方传来是,我们可以认为声波是平行波(Parallel Wave),这类似于太阳光:虽然是点光源,但因为光源够远,到达地球的太阳光被认为是平行的。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

平行光的一大特点就是在相互垂直的波面(Wavefront)上,相位一致。但阵列和波面往往不平行,也就导致到达相邻传感器的声波差了相同的距离。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

不过还好的是,这份差距可以求得,而且均匀。我们认为均匀线列阵中,相邻两个传感器接收到的声波差了同样的波程(Wave Path),也就是波走过的路程。

路程对应时间,我们可以说相邻两个传感器接收到的声波差了同一个时差(距离除以声速);时间对应相位,我们可以说相邻两个传感器接收到的声波差了同一个相位(角速度乘以时间)。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

这里需要另一个小知识:虚数改变相位。你有没有好奇过,我们中学学的“虚数”到底有什么用?其实,一种用途是:对应相位(时间),什么意思,就是说等价于。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

这样,我们就可以说相邻两个传感器接收到的声波差了同一个系数,在声纳做好的情况下,这个系数只和声波传来的角度有关。

如果我们给每个传感器乘上对应的系数,注意,这里有个负号,也就是补偿它们之间的相位差。然后,我们就可以得到完全一样的信号,这样相加的结果最大。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

把上述过程反过来再看,就是声纳探测中经常遇到的问题了:如果现在不知道目标的角度,只知道各个传感器接受到的声波,怎么才能算出目标的角度?

我们让每个传感器的系数(只和声波角度有关)按照角度轮流试一遍,找最大值对应的角度,声纳就认为是目标的方向,这个过程被称为方位估计(DOA),我们在声纳中把主瓣(Major Lobe)的峰值认为是目标的方位(我们把DOA方向图中的突起比作是一个一个的花瓣,而最高的那一个就是主瓣,见下图)。

(图片来源:作者绘制)

(图片来源:作者绘制)

(上图为声波从60°方向传来时,传感器乘以对应不同角度的系数后的结果。可以看出,当系数也对应60°时,输出最大。)

换句话说,声纳只放大主瓣方位的声波。从此,声纳长了眼睛,能“看见”目标了。

终于知道为啥要摆一排话筒了

与声纳类似,话筒相当于另一种传感器么。只要事先设定好各个话筒的系数,就可以做到只放大特定的声音(大人物),而不放大其它方向的声音(观众),扬声器由此也能“看得见”大人物了。

(图片来源:作者绘制)

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甚至于,如果这些系数是可以自调节的,能做到大人物走到哪,主瓣(想要放大的信号来源角度)指到哪,实现自适应的信号处理。

话筒阵列:大哥,您随便蹦跶,我随时指向着您嘞(图片来源:作者绘制)

话筒阵列:大哥,您随便蹦跶,我随时指向着您嘞(图片来源:作者绘制)

从此,那些个大人物公众讲话就自带有方位识别的扩音器了:“为了表达更伟大的思想,我需要这个扩音器”。

(图片来源:作者提供)

(图片来源:作者提供)

另外,主瓣可以不只一个!主瓣数量最多可以比(传感器)话筒数量少1个,也就是说,理论上,3个话筒可以同时放大两个不同位置大人物的声音。

不过一般这种严肃场合同时只会有一个人发言,因此,更多的情景是用两个话筒(1+1)。

(图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

是不是话筒越多越好?

最后,话筒数是否越多越好呢?是的,其实随着话筒(传感器)数增多,并不会改变对大人物声音的放大程度(主瓣级(Major Lobe Level)),以及对观众声音的放大程度,但可以让主瓣更窄(分辨率更高),即认人更准。

也就是说,发表讲话时存在一个最佳的角度,以前大人物站在12°、13°都一样,但现在可不一样喽。

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