Анатомия конференц-зала. Часть 1: Спикерфон

Спикерфон — частый обитатель конференц-залов, рабочих столов руководителей и импровизированных переговорных. Небольшие спикерфоны часто берут с собой в поездки, а также используют в автомобиле, чтобы не отказывать себе в конференциях по телефону. Они разнятся своими формами и размерами, функционалом и набором интерфейсов. Неизменной остается только их цель — обеспечить комфорт общения в режиме громкой связи без гарнитур, микрофонных пультов и прочих устройств.

В данной статье мы покажем, из чего состоит спикерфон, как взаимодействуют его составные части и какие задачи он решает.

Данная статья также опубликована на vc.ru, приглашаем поучаствовать в обсуждении там.

В каком случае следует использовать спикерфон?

Тут все просто: использовать гарнитуру — это идеальное решение, капсюль микрофона расположен максимально близко к источнику звука, а динамик находится непосредственно на ухе. Таким образом факторы помещения и окружения практически не оказывают влияния, благодаря чему сохраняется высокое качество звука.

Все меняется, если в конференции должны участвовать несколько человек. Эту задачу можно решить несколькими способами:

1. Применить конгресс-систему: каждому участнику конференции поставить направленный микрофон, микрофонный пульт и оборудовать помещение акустической системой
2. Установить массив микрофонов и саундбар
3. Подключить спикерфон

Спикерфон — это самый простой и доступный вариант решения проблемы. У нас тут как раз завалялся один очень хороший экземпляр для исследования, которым мы и займемся.

Вообще, технически это не просто спикерфон, а конференц-телефон, т.к. его можно использовать без ПК.

Итак, перед нами Spider от Phoenix Audio.

Купол из сетки скрывает микрофонный массив и динамик. Устройство имеет внушительную массу и подошву из вспененного материала, благодаря чему он твердо стоит на поверхности и не производит лишних звуков при перемещениях по столу и нажатиях клавиш.

Из круглого корпуса выделяется клавиатура с монохромным дисплеем. Клавиатура закрыта неким прорезиненным материалом, сквозь который просвечивают символы-обозначения клавиш.

На дне спикерфона имеется специальная полость, в которой находится панель интерфейсов спикерфона, а также это пространство предусмотрено для организации кабелей. Также подключенный спикерфон можно установить над технологическим отверстием в столешнице.

Спикерфон оснащен интерфейсом Ethernet для автономной работы SIP-клиента и microUSB для использования вместе с ПК, а также разъемом для подключения дополнительной акустической системы и Link Down. Большинство из нас знакомы с основными из них и используют их в повседневной жизни, тем не менее, один из них точно требует пояснения. Это Link Down, который позволяет соединить несколько спикерфонов в цепь простым кабелем UTP. Полученный массив спикерфонов работает согласованно, как единое устройство, и может охватить конференц-зал площадью до 100м².

Наружное убранство спикерфона мы рассмотрели, и настал черед самого важного — электронной начинки, ведь именно она решает главную техническую задачу — захватывает звук на расстоянии.

Подводные камни

Как известно из школьного курса физики, уровень звукового давления снижается при удалении от его источника. Падение происходит логарифмически, и вычислить его можно при помощи уравнения:

ΔL=20lg(r₁/r₂)

где r₁ и r₂ — расстояние до источника звука в начальной и конечной точках.

Вот, к примеру, спокойная речь на дистанции 20 см, выше порога слышимости на 60 дБ.

Отдалившись от спикерфона более чем на 4 м, уровень звукового давления снижается до фонового шума офиса. Это значительно усложняет задачу электроники по захвату и обработке звука, а также повышает требования к усилению звука и применению специальных алгоритмов обработки.

Что же там внутри?

Желание показать вам, как же это всё устроено, оказалось сильнее добротного корпуса спикерфона, и, вдоволь поработав отверткой, мы смогли полюбоваться богатым внутренним миром “Паука”.

На первый взгляд непонятно, зачем для решения такой простой задачи как “громкая связь” может потребоваться столь сложное устройство. Поэтому рассмотрим поближе!

Наш подопытный разобран, и можно рассмотреть всю электронику детально. Всю работу выполняют 3 основных узла: массив микрофонов, материнская плата и плата усилителя мощности звука.

А теперь порядку:

1. Массив микрофонов формирует лучи захвата звука. Система анализирует окружающую среду и включает микрофоны таким образом, чтобы лучше усиливать только голос и только с того направления, откуда он поступает.

   

   В спикерфоне применяются направленные электретные микрофонные капсюли с эффективным углом работы около 130⁰. Направленные во все стороны капсюли имеют некоторый нахлест в углах снятия звука(около 40⁰): это позволяет формировать точные лучи захвата звука, вычитая и суммируя сигналы с разных капсюлей.

   На этой плате также расположена световая индикация работы устройства, операционные усилители и система согласования с главным процессором.

   

   Тут происходит первичное выравнивание громкости входного сигнала: на каждый микрофон приходится сдвоенный операционный усилитель, который через систему обратной связи повышает амплитуду слабого сигнала и снижает слишком громкие звуки до заданного уровня, т.е. меняет чувствительность каждого микрофона в отдельности. Далее мы выясним, для чего это нужно.

   

   Массив микрофонов целиком обернут силиконовым чехлом, где каждому капсюлю выделено отдельное посадочное место. Чтобы микровибрации от динамика и шорохи от касания корпуса устройства, которые возникают при работе с ним, не вызывали шума и дребезжания в захватываемом звуке.

   

2. Далее звук попадает на материнскую плату для оцифровки, обработки и передачи собеседнику.

   

   Сердцем “Паука”, как мы видим, является чип израильской компании AudioCodes, управляющий всеми процессами, периферийными устройствами и интерфейсами в аппарате. Также в составе этого чипа трудится процессор цифровой обработки звука (Digital Signal Processor, далее DSP).

   DSP делит спектр полученного звука на отдельные участки и обрабатывает их параллельно, удаляя все то, что отличается от человеческого голоса. В отличие от обычных конгресс-систем программная часть в DSP — это главная часть спикерфона, и реализует она следующие алгоритмы обработки звука:

   • Адаптивный фильтр анализирует звук в помещении и подавляет равномерно распределенный статический шум, например — шум от кондиционера, звуки с улицы или шелест кулера ноутбука. Принцип действия схож с человеческим ухом: поначалу в шумной обстановке общаться довольно сложно, однако после адаптации влияние раздражителей снижается. Разница лишь в том, что DSP делает это практически мгновенно, чем избавляет нас от необходимости привыкать.

     Однако есть ситуации, в которых спикерфоны буквально сходят с ума, и причина этому — системы антипрослушки, которые очень любят наши спецслужбы.

     Эти системы трудятся на оконных рамах для заполнения комнаты случайным шумом, неслышным человеческому уху. В этом случае адаптивный фильтр попросту не успевает приспособиться к быстро меняющимся условиям и только ухудшает ситуацию.

   • Подавление эха. В данном случае мы рассмотрим эхо как возврат собственного голоса собеседнику. Микрофон улавливает то, что воспроизводит динамик, и собеседник слышит сам себя, что весьма нешуточно раздражает 🙂

     Таким образом, реплика собеседника существует в двух видах: оригинал, воспроизводимый динамиком, и эхо-копия, полученная с микрофона. Исходя из того, что процессор “знает” какой сигнал он направлял на динамик, остается только вычесть одно из другого. После вычитания могут быть слышны щелчки и прерывания звука, так как эти аудиодорожки все же отличаются из-за геометрических свойств помещения и потому после этой процедуры применяют дополнительный адаптивный фильтр, удаляющий остатки вычитания. За годы развития цифрового аудио было придумано множество решений данной проблемы, алгоритмы которых трепетно оберегаются производителями и патентными бюро. Потому программная часть DSP — наиболее важная и ценная составляющая всего девайса, где аппаратная часть вторична.

   • Снижение реверберации. В помещении без специальной акустической отделки любые звуки многократно отражаются, и эти отражения создают неблагоприятный шум. Большую часть проблем разработчикам доставляют поверхности, зеркально отражающие звук, например — стекло.Так как направление отражений постоянно меняется, то большую часть из них легко отсечь, захватывая звук только в одном направлении. Массив микрофонов под управлением DSP формирует лучи направленного захвата звука, чтобы снизить влияние реверберации до уровня, с которым продолжит работать специальный программный фильтр.
   • АРУ, или автоматическая регулировка усиления, компенсирует разницу в уровне звукового давления. Проще говоря, спикерфон уравняет по громкости как тихую, апатичную речь, так и громкие, эмоциональные реплики. Обработка начинается с момента захвата звука микрофонным массивом, DSP нормализует уровень амплитуду сигнала для проведения качественной дальнейшей обработки, которая происходит уже в цифровом виде. В результате, зачастую невозможно определить, на каком расстоянии от спикерфона находится собеседник: сидит он за столом переговоров, ходит вокруг него или набирает воду из кулера — слышимость будет одинаково хорошей.
   • Вообще в спикерфонах, помимо описанных алгоритмов обработки звука, есть множество других, менее примечательных, но столь же важных алгоритмов, позволяющих девайсу адаптироваться к различным ситуациям. К примеру — компенсировать разницу в уровне реверберации, вызванную геометрической конфигурацией помещения, или эффективно работать в цепи из нескольких подобных устройств. Каждый производитель разрабатывает собственные, уникальные фичи и возможности.

   

3. В центре, под куполом, располагается 10-ваттный динамик американской фирмы Arelle Labs, который также дополнительно развязан от корпуса устройства демпфирующими прокладками.

   Система звукоусиления построена на высокоэффективной, малошумной интегральной микросхеме, работающей в классе D, что обеспечивает высокую эффективность усиления звука при малых габаритах. Питание усилителя, как и сам усилитель, расположены на отдельной плате под динамиком.

   

Мы препарировали аппарат громкой связи, который подойдет как для стола руководителя компании, так и для целой переговорной комнаты. Для использования в большом помещении к Spider можно подключить до 15 дополнительных спикерфонов, увеличив тем самым зону покрытия.

В целом, этот тип устройств примечателен тем, что акустические недостатки среды, в которой он работает, никак не влияют на качество звука при общении.

В качестве дополнения к статье рекомендуем ознакомиться с докладом Джозефа Мараша, генерального директора Phoenix Audio, в котором весьма детально рассказывается о важности качества звука в конференц-залах и переговорных комнатах а также нюансах использования режимов громкой связи.