MEMS加速度计在声学拾音器中的应用

MEMS加速度计在声学拾音器中的应用

引言

本文将讨论MEMS加速度计产品中所采用的一些关键技术，并讨论这些技术如何为声学传感器带来新应用。

图1：MEMS加速度计结构。

这些MEMS结构的尺寸为微米量级(图2)，故需要精度极高的半导体光刻和蚀刻工艺技术。MEMS结构通常采用单晶硅形成，或者采用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。采用这一灵活的技术可以形成机械特性差异很大的结构。其中一个可以控制和可改变的机械参数是弹簧刚度。设计中还可以改变传感单元的质量以及结构阻尼。传感器可以实现从零点几个g到数百个g加速度的感应，其带宽高达20kHz。

图3：ADXL202 ±2 g加速度计。

图4：典型的双芯片加速度计的截面图。

作为振动测量传感器的加速度计

在乐器中利用振动感应传感器进行拾音的概念也并非新概念。6 压电和电磁传感器是当今许多声学拾音应用的基础。由于微型的MEMS加速度计体积和质量都很小，不会对乐器产生机械或质量载荷方面的影响，从而在这些应用中颇具吸引力。不过迄今为止，由于商用加速度传感器的带宽较窄，其应用还比较有限。

图5：ADXL001的频率响应曲线。

低g加速度计可以测量低至千分之一g级的加速度，但带宽一般被限制在5kHz左右。实际上这一限制的原因可能是需要很高带宽的商业应用太少(主要的应用包括人的运动或者重力引起的加速检测)，故缺乏开发特别适用于音频频段测量的传感器的动力。

图6：MEMS加速度计，封装尺寸为4mm× 4mm×1.45mm。

声音反馈问题

声学拾音

通常通过采用定向麦克风可以把声音反馈减到最小。某种程度上这是可以的，不过需要调音工程师不停地调节，来适应舞台特性的不断变化。

利用拾音器可以对乐器声音进行放大。所采用的各种技术具有一定差异，但基本的原理都是直接感应乐器本身的振动，而并非检测空中它所产生的声波。这种做法的优点很明显：即拾音器几乎不会产生声音反馈，原因是它们对空气中传递的声波不敏感。但这种方法也有许多缺点：包括要在乐器上找到最佳的发声位置是极其困难的，压电拾音器的声学特性也远远算不上完美，它们的输出阻抗为高阻，故需要特殊的乐器输入或直驳盒(direct boxes)。此外，体积也较大，从而会影响乐器本身的自然声学特性。

接触式麦克风

我们在前面已经提到过加速度的概念。人耳响应的是声压，故麦克风也被设计成声压感测功能。为了简化讨论，这里直接给出一个结论，即一个靠近振动体的声压与加速度成正比。问题是加速度计具有多高的带宽方可用作为接触式麦克风?

图7：安装到Fender Stratacoustic吉它上的加速度计。

利用该加速度计、内置的压电拾音器和MEMS麦克风各自录制了一段声音。图8给出了每个传感器的时域波形，这里没有对任何音段进行后处理。

图8：采用不同传感器的时域波形。

图9所示为在上述时域波形的一个峰值上所测得的压电拾音器的FFT频谱。结果显示响应中具有较强的低音分量。确实，实际的音频文档中都较多地具有许多低音响应。这种声音比较悦耳(还取决于个人偏好)，因为腔体谐振能够产生比从乐器上直接听到的更丰富的低音。

图9：压电拾音器的频谱。

MEMS麦克风的输出则非常平坦，乐声的重现效果非常好。其音质非常自然，均衡较好，逼真度高。与压电拾音器相同时间点上测得的FFT频谱如图10(a)所示。作为参考，图10(b)给出了MEMS麦克风的频率响应。

图10(a)：MEMS麦克风的频谱。

图10(b)：MEMS麦克风的频率响应。

MEMS加速度计的输出非常有意思。目前其缺点包括噪声基底过高，在音轨的开始和末尾都能听到，且Z轴带宽明显限制到较低的频率。每个轴向上的声音再现也显著不同。

X轴和Y轴上的声音明快而清晰，声调上有可分辨出的明显差异。正如预期，Z轴上的声音明显地主要为低音。图11中(a)、(b)、(c)分别给出了X、Y、Z轴上的频谱。

图11(a)：X轴上的频谱。

图11(b)：Y轴上的频谱。

图11(c)：Z轴上的频谱。

如果将X、Y和Z轴混合到一起，即可实现乐声的较好重现，具有一定的明晰度。通过对混音环节进行调节，可以实现音调平衡变化，达到自然的乐声重现。由于目前加速度计的带宽限制，更大范围的高频谐波丢失了，但声音重现仍然惊人地逼真。

结束语

低g值MEMS加速度计没有传统的声音反馈问题，可以作为乐器所用的高质量拾音器，具有明显的应用潜力。上面的实验结果表明，贴装到Fender Stratacoustic吉他上的一个3轴加速度计能实现良好的乐声重现。由于乐器本体不同方向上的振动模式不一样，故与之相关的加速度计3个轴上的声音特性也不一样，对三个通道输出进行混音可以再现原来的音效。此外，用不同的方式对这些通道的声音进行混音处理可以产生富有创造性的音效。

在本实验中，虽然从加速度计的性能看应用前景不错，但也存在一些缺点，例如能够听得到传感器的基底噪声，不过可以通过利用噪声门控或者其他技术将这个问题的影响降到最小，而且理想传感器的噪声基底将与传统麦克风差不多。传感器的高频响应需要进行扩展，理想的是能达到20kHz，这样方可覆盖乐器的整个音频范围。

MEMS加速度计技术在乐器的拾音应用方面具有明显的潜在优势，特别是那些为声音反馈问题困扰的现场应用。一个体积非常小、低功耗的MEMS器件可以贴装到乐器中任何不显眼的位置上，而且不会影响乐器的自然振动特性。实际上，可以在乐器的不同位置上贴装数个传感器，为声学工程师重现乐器的自然特质提供额外的灵活度，还无需担心现场应用的声音反馈，因此可以说，距离“理想的音乐”只差一步之遥!

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