为什么大人物讲话需要那么多话筒？
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）
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）
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）
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）
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）
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）
（前情回放：虽然劣质，但确实是等间隔的跑道）
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）
（前情回放：小朋友平行着跑，速度都一样。）
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）
（前情回放：操场的跑道线不平行，相邻两人要多跑相同的距离）
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）
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）
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。
（前情回放：这种“不公平”是可量化，并且只和小朋友跑来的方向有关）
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。
（前情回放：体育老师根据XX公式，给大家的成绩都乘对补偿系数，让大家都是第一）
（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？
（前情回放：忘了小朋友来的方向，算不了系数，老师只知道各个小朋友的成绩）
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）。
（前情回放：白胡子校长：给小朋友的成绩乘以不同的系数，看看哪个系数让大家都是第一名）
（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）
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）
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）
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）
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。
作者单位：西北工业大学 航海学院
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