為什麼大人物講話需要那麼多話筒？
來源：科學大院
不知道你是否注意過，大人物發表公眾講話時，面前總是要擺幾個話筒（比如最近的G20峰會）：
（圖片來源：作者提供）
這是為什麼？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（有一定的原因在裡面，那也不用那麼多吧）？抑或只是為了氣勢（那難道每個大人物都這麼「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麼大人物小人物，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：作者繪製）
那為什麼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後的情景並沒有出現。
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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，大家才發現，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！）
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那該怎麼打成績，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：「幸好我大學高數沒掛，根據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係數就行，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，老師發現忘記了小朋友跑來的方向，算不了係數，只有看著各個小朋友最後的測試成績發愣。
這時，白鬍子校長出現，拍拍老師的肩：「這是對你們年輕老師能力的考驗，你試試不同的係數，看哪個係數能讓大家都是第一名，這個係數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，你們記住了什麼？詭異的跑道？聰明的校長？其實，這些都不是關鍵！你已經對水下聲納探測技術有了初步了解！
聲納是怎麼「看到」目標的？
回到文章開始的話題：話筒是怎麼「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，是怎麼「看見」目標的呢？
這裡要介紹一個概念：陣列（Array）。聲納的核心是多個感測器（水聽器）組成的陣列，即按一定規律擺放。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：作者繪製）
均勻線列陣是怎麼工作的？這裡需要一個小知識：當水聲信號從遠方傳來是，我們可以認為聲波是平行波（Parallel Wave），這類似於太陽光：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。
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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，也就導致到達相鄰感測器的聲波差了相同的距離。
（圖片來源：作者繪製）
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，相鄰兩個感測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感測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感測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：作者繪製）
這裡需要另一個小知識：虛數改變相位。你有沒有好奇過，我們中學學的「虛數」到底有什麼用？其實，一種用途是：對應相位（時間），什麼意思，就是說等價於。
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這樣，我們就可以說相鄰兩個感測器接收到的聲波差了同一個係數，在聲納做好的情況下，這個係數只和聲波傳來的角度有關。
如果我們給每個感測器乘上對應的係數，注意，這裡有個負號，也就是補償它們之間的相位差。然後，我們就可以得到完全一樣的信號，這樣相加的結果最大。
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把上述過程反過來再看，就是聲納探測中經常遇到的問題了：如果現在不知道目標的角度，只知道各個感測器接受到的聲波，怎麼才能算出目標的角度？
我們讓每個感測器的係數（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）。
（圖片來源：作者繪製）
（上圖為聲波從60°方向傳來時，感測器乘以對應不同角度的係數後的結果。可以看出，當係數也對應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。
終於知道為啥要擺一排話筒了
與聲納類似，話筒相當於另一種感測器么。只要事先設定好各個話筒的係數，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：作者繪製）
甚至於，如果這些係數是可以自調節的，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，實現自適應的信號處理。
話筒陣列：大哥，您隨便蹦躂，我隨時指向著您嘞（圖片來源：作者繪製）
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！主瓣數量最多可以比（感測器）話筒數量少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？
最後，話筒數是否越多越好呢？是的，其實隨著話筒（感測器）數增多，並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（解析度更高），即認人更准。
也就是說，發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，但現在可不一樣嘍。
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