Um array de microfones é um conjunto coordenado de dois ou mais microfones dispostos em geometria conhecida, cujos sinais são processados conjuntamente para obter filtragem espacial — realçando sons de direções desejadas enquanto suprime interferências de outras. Essa seletividade espacial imita a capacidade do sistema auditivo humano de focar em uma conversa numa sala barulhenta (o "efeito festa do cocktail").
Geometrias de Array e Trade-offs
- Linear: Mais simples. Direção 1D (azimute apenas). Espaçamento uniforme (ULA) ou não uniforme. Steering endfire vs. broadside.
- Planar (Retangular/Circular): 2D (azimute + elevação). Arrays circulares dão performance uniforme 360°; retangulares servem grids de beamforming.
- Esférico: Captura 3D de esfera completa. Ambisonics de alta ordem. Usado em áudio VR/AR (ex.: Eigenmike, Zylia).
- Distribuído/Ad-hoc: Múltiplos dispositivos (celulares, wearables) formando array espontâneo. Desafio de sincronização.
Processamento de Sinal Principal
Beamforming Delay-and-Sum: Alinha temporalmente sinais da direção alvo (delays de steering), soma coerentemente → sinal soma construtivamente, ruído soma incoerentemente → ganho SNR = 10·log₁₀(N) dB para N mics (ideal).
Beamforming Adaptativo (MVDR, LCMV, GSC): Calcula pesos ótimos minimizando potência de saída sujeito a ganho unitário na direção alvo. Anula interferentes automaticamente. Requer estimativa de matriz de covariância.
Beamforming Superdiretivo: Excede directividade do delay-and-sum em baixas frequências usando matching de fase preciso. Sensível a mismatch de sensores.
Separação Cega de Fontes (ICA, IVA): Separa fontes simultâneas sem conhecimento prévio de direção. Usado em transcrição de reuniões.
Aplicações-Chave
- Smart Speakers (Echo, HomePod, Nest): Arrays circulares 6-7 mics para detecção de wake-word, ASR beamformed, cancelamento de eco acústico (AEC)
- Videoconferência (Poly, Logitech, Shure): Arrays de teto/mesa rastreando falante ativo, suprimindo ruído de HVAC
- Aparelhos Auditivos: Arrays binaurais 4-8 mics compartilhando dados sem fio para ganho direcional
- Automotivo: Controle de voz em cabine, hands-free, supressão de ruído para chamadas
- Vigilância/Defesa: Localização acústica de tiros, detecção de UAV, monitoramento de perímetro
- Áudio Imersivo: Gravação Higher-Order Ambisonics (HOA) para VR/vídeo 360°
- Industrial: Monitoramento de condição de máquinas via imagem acústica
Métricas de Performance
- Índice de Directividade (DI): Ganho on-axis vs. campo difuso (dB)
- Ganho de Ruído Branco (WNG): Robustez a ruído próprio do sensor
- Razão Frente-Costas: Rejeição traseira
- Faixa de Frequência: Limite de aliasing espacial = c/(2·d) para espaçamento d
Processamento de array transfere complexidade do hardware (grandes pratos parabólicos) para computação — permitindo captura de áudio espacial compacta e reconfigurável.
