MEMS加速度計在聲學拾音器中的應用

MEMS加速度計在聲學拾音器中的應用

引言

本文將討論MEMS加速度計產品中所采用的一些關鍵技術，并討論這些技術如何為聲學傳感器帶來新應用。

圖1：MEMS加速度計結構。

這些MEMS結構的尺寸為微米量級(圖2)，故需要精度極高的半導體光刻和蝕刻工藝技術。MEMS結構通常采用單晶硅形成，或者采用以極高的溫度沉積到單晶硅晶圓表面上的多晶硅。采用這一靈活的技術可以形成機械特性差異很大的結構。其中一個可以控制和可改變的機械參數是彈簧剛度。設計中還可以改變傳感單元的質量以及結構阻尼。傳感器可以實現從零點幾個g到數百個g加速度的感應，其帶寬高達20kHz。

圖3：ADXL202 ±2 g加速度計。

圖4：典型的雙芯片加速度計的截面圖。

作為振動測量傳感器的加速度計

在樂器中利用振動感應傳感器進行拾音的概念也并非新概念。6 壓電和電磁傳感器是當今許多聲學拾音應用的基礎。由于微型的MEMS加速度計體積和質量都很小，不會對樂器產生機械或質量載荷方面的影響，從而在這些應用中頗具吸引力。不過迄今為止，由于商用加速度傳感器的帶寬較窄，其應用還比較有限。

圖5：ADXL001的頻率響應曲線。

低g加速度計可以測量低至千分之一g級的加速度，但帶寬一般被限制在5kHz左右。實際上這一限制的原因可能是需要很高帶寬的商業應用太少(主要的應用包括人的運動或者重力引起的加速檢測)，故缺乏開發特別適用于音頻頻段測量的傳感器的動力。

圖6：MEMS加速度計，封裝尺寸為4mm× 4mm×1.45mm。

聲音反饋問題

聲學拾音

通常通過采用定向麥克風可以把聲音反饋減到最小。某種程度上這是可以的，不過需要調音工程師不停地調節，來適應舞臺特性的不斷變化。

利用拾音器可以對樂器聲音進行放大。所采用的各種技術具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂器本身的振動，而并非檢測空中它所產生的聲波。這種做法的優點很明顯：即拾音器幾乎不會產生聲音反饋，原因是它們對空氣中傳遞的聲波不敏感。但這種方法也有許多缺點：包括要在樂器上找到最佳的發聲位置是極其困難的，壓電拾音器的聲學特性也遠遠算不上完美，它們的輸出阻抗為高阻，故需要特殊的樂器輸入或直駁盒(direct boxes)。此外，體積也較大，從而會影響樂器本身的自然聲學特性。

接觸式麥克風

我們在前面已經提到過加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風也被設計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結論，即一個靠近振動體的聲壓與加速度成正比。問題是加速度計具有多高的帶寬方可用作為接觸式麥克風?

圖7：安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計。

利用該加速度計、內置的壓電拾音器和MEMS麥克風各自錄制了一段聲音。圖8給出了每個傳感器的時域波形，這里沒有對任何音段進行后處理。

圖8：采用不同傳感器的時域波形。

圖9所示為在上述時域波形的一個峰值上所測得的壓電拾音器的FFT頻譜。結果顯示響應中具有較強的低音分量。確實，實際的音頻文檔中都較多地具有許多低音響應。這種聲音比較悅耳(還取決于個人偏好)，因為腔體諧振能夠產生比從樂器上直接聽到的更豐富的低音。

圖9：壓電拾音器的頻譜。

MEMS麥克風的輸出則非常平坦，樂聲的重現效果非常好。其音質非常自然，均衡較好，逼真度高。與壓電拾音器相同時間點上測得的FFT頻譜如圖10(a)所示。作為參考，圖10(b)給出了MEMS麥克風的頻率響應。

圖10(a)：MEMS麥克風的頻譜。

圖10(b)：MEMS麥克風的頻率響應。

MEMS加速度計的輸出非常有意思。目前其缺點包括噪聲基底過高，在音軌的開始和末尾都能聽到，且Z軸帶寬明顯限制到較低的頻率。每個軸向上的聲音再現也顯著不同。

X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調上有可分辨出的明顯差異。正如預期，Z軸上的聲音明顯地主要為低音。圖11中(a)、(b)、(c)分別給出了X、Y、Z軸上的頻譜。

圖11(a)：X軸上的頻譜。

圖11(b)：Y軸上的頻譜。

圖11(c)：Z軸上的頻譜。

如果將X、Y和Z軸混合到一起，即可實現樂聲的較好重現，具有一定的明晰度。通過對混音環節進行調節，可以實現音調平衡變化，達到自然的樂聲重現。由于目前加速度計的帶寬限制，更大范圍的高頻諧波丟失了，但聲音重現仍然驚人地逼真。

結束語

低g值MEMS加速度計沒有傳統的聲音反饋問題，可以作為樂器所用的高質量拾音器，具有明顯的應用潛力。上面的實驗結果表明，貼裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個3軸加速度計能實現良好的樂聲重現。由于樂器本體不同方向上的振動模式不一樣，故與之相關的加速度計3個軸上的聲音特性也不一樣，對三個通道輸出進行混音可以再現原來的音效。此外，用不同的方式對這些通道的聲音進行混音處理可以產生富有創造性的音效。

在本實驗中，雖然從加速度計的性能看應用前景不錯，但也存在一些缺點，例如能夠聽得到傳感器的基底噪聲，不過可以通過利用噪聲門控或者其他技術將這個問題的影響降到最小，而且理想傳感器的噪聲基底將與傳統麥克風差不多。傳感器的高頻響應需要進行擴展，理想的是能達到20kHz，這樣方可覆蓋樂器的整個音頻范圍。

MEMS加速度計技術在樂器的拾音應用方面具有明顯的潛在優勢，特別是那些為聲音反饋問題困擾的現場應用。一個體積非常小、低功耗的MEMS器件可以貼裝到樂器中任何不顯眼的位置上，而且不會影響樂器的自然振動特性。實際上，可以在樂器的不同位置上貼裝數個傳感器，為聲學工程師重現樂器的自然特質提供額外的靈活度，還無需擔心現場應用的聲音反饋，因此可以說，距離“理想的音樂”只差一步之遙!

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