ADI:用MEMS加速度计作为拾音器完成乐器音效完美再现

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导言

MEMS¹（微机电体系）使用专为半导体集成电路所开发的制作工艺设备完成出产制作。微机电结构的完成办法是经过在半导体基片上刻蚀特定的图形，来完成传感器单元或许能够移动零点几微米的机械执行器。MEMS压力传感器是第一类批量使用的产品，现在用于担任监测数以亿计的发动机歧管和轮胎的压力；而MEMS加快度计则用于安全气囊、翻滚检测以及轿车报警体系，时刻也已超越15年之久。

MEMS 加快度计²还用于消费电子范畴里的运动感应，如视频游戏与手机。MEMS微镜光学执行器用于投影仪、HDTV以及数字影院。近几年，MEMS麦克风³也开端进入宽广的消费市场，包含手机、蓝牙耳机、个人计算机以及数码相机等。

本文将评论MEMS加快度计产品中所选用的一些关键技能，并评论这些技能怎么为声学传感器带来新使用。

MEMS加快度计技能

典型的MEMS加快度计的中心单元是一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构：其间一组固定到基片上一个实体地平面上；而另一组则衔接到一个安装到一组绷簧上的质量块上，该绷簧能够依据所施加的加快度发生移动。所施加的加快度（图1）将改动固定和移动栅条之间的电容。³

这些MEMS结构的尺度为微米量级（图2），故需求精度极高的半导体光刻和蚀刻工艺技能。MEMS结构一般选用单晶硅构成，或许选用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆外表上的多晶硅。选用这一活络的技能能够构成机械特性差异很大的结构。其间一个能够操控和可改动的机械参数是绷簧刚度。规划中还能够改动传感单元的质量以及结构阻尼。传感器能够完成从零点几个g到数百个g加快度的感应，其带宽高达20kHz。

MEMS传感单元能够被衔接到坐落同一芯片（图3）或许不同芯片（图4）上的信号调度电路。关于单芯片解决方案，传感单元的电容能够低至每g 1-2毫轻轻法拉，这适当于10-18F的丈量分辨率！而在双芯片架构中，MEMS单元的电容有必要足够高，以战胜MEMS和ASIC调度电路之间衔接线的寄生电容影响。⁴

作为振荡丈量传感器的加快度计

在乐器中使用振荡感应传感器进行拾音的概念也并非新概念。⁵压电和电磁传感器是当今许多声学拾音使用的根底。因为微型的MEMS加快度计体积和质量都很小，不会对乐器发生机械或质量载荷方面的影响，然后在这些使用中颇具吸引力。不过迄今为止，因为商用加快度传感器的带宽较窄，其使用还比较有限。

加快度计技能方面的一些最新突破性发展成果了具有十分高带宽但又十分小的加快度计的量产。选用5mm × 5mm × 2mm封装的 ADXL001⁶（图5）高g（±70g到±500g）单轴加快度计的带宽已高达22kHz，是监测振荡的抱负挑选，能够经过检测设备声学特性的改动来确认电机或其他工业设备的”健康”情况。在轴承磨损的前期阶段，使用一个贴附在体系基座上的高g振荡传感器，就能够检测到一个坐落音频规模内的清楚振荡信号。这种用来丈量高达10g量级的特别传感器，显着要用作为乐器的声学振荡传感器是不行活络的。抱负的声学传感器需求丈量一切3个轴向上的呼应，而它却只能感应单轴运动。但是现在现已证明，选用MEMS技能现已能够完成全音频带宽内的加快度传感器。

低g加快度计能够丈量低至千分之一g级的加快度，但带宽一般被约束在5kHz左右。实践上这一约束的原因可能是需求很高带宽的商业使用太少（首要的使用包含人的运动或许重力引起的加快检测），故缺少开发特别适用于音频频段丈量的传感器的动力。

一个3轴加快度计有3个独立的输出，别离丈量笛卡儿坐标中 X, Y, Z 轴上的加快度。 ADXL330⁷ 3轴低g加快度计具有比传统的低g加快度计更宽的有用带宽，其带宽在X和Y轴上高达6kHz，而在Z轴上为1kHz左右。尽管还不行抱负，但这个带宽现已使得该器材能够获取音频段上的有用信息。其输出为模拟信号，故很简单用于规范的录音设备。该器材选用规范的表贴封装，充沛使用了老练的半导体工艺制作设备。其封装尺度为4mm × 4mm × 1.45mm（图6），能够适用于关于传统加快度计技能来说简直是难以想象的当地。其体积十分小，不会引起被测体系中质量载荷或许其他方面的改动。下面将介绍为何该低g加快度计能够用于吉他的声学拾音使用。

声响反应问题

丹麦科学家Soren Larsen在上世纪20年代⁸中期初次引入了全向电容式动态麦克风，是他最早发现了声响反应原理（称为Larsen效应）。对声学工程师来说，声响反应一向都是一个噩梦，很少有工程师能够彻底操控它，特别是在任何表演现场都不可避免。甲壳虫乐队充沛感触到了这种伪声的影响，继而在1964⁹年决议将其添加到他们难忘的专辑”我感觉很好”的介绍曲中。随后Rock ‘n’ Roll也开端像征服野兽相同使用它，使用声响反应在摇滚乐中增添了令人耳目一新的特征。而电吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，则故意地把吉他接近扬声器来使用声响反应。跟着这种风潮的衰退，音频工程师持续尽力消除声响反应所引起的令人不适的听觉作用，特别是在现场表演过程中。在完美规划并经过特别声学处理的试音室里，使用全向麦克风能够完美地录制乐器声，简直到达惊人的现场感和保真度。了解并爱惜这一点的艺术家一向都在孜孜不倦地寻求怎么能够把这种作用重现在舞台上。尽管期望能够以演播室相同的质量来录制现场表演一向都是音乐家的愿望，但是实践上这却是不可能的。即便在舞台上选用最好的音响设备，舞台也经过了极佳的声学规划，声响工程师也能通晓地使用各种混响并能够具有最佳的设备和东西，但要取得抱负的音效依然存在着难以逾越的妨碍：那便是声响反应。

声学拾音

一般经过选用定向麦克风能够把声响反应减到最小。某种程度上这是能够的，不过需求调音工程师不停地调理，来习惯舞台特性的不断改动。

使用拾音器能够对乐器声响进行扩大。所选用的各种技能具有必定差异，但根本的原理都是直接感应乐器自身的振荡，而并非检测空中它所发生的声波。这种做法的长处很显着：即拾音器简直不会发生声响反应，原因是它们对空气中传递的声波不灵敏。但这种办法也有许多缺陷：包含要在乐器上找到最佳的发声方位是极端困难的，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，故需求特别的乐器输入或直驳盒(direct boxes)。此外，体积也较大，然后会影响乐器自身的天然声学特性。

所以，这些问题导致了低质量触摸式麦克风的概念。假设咱们选用一个外表式传感器来丈量乐器本体的加快度，这要比单轴更适宜。¹⁰这种传感器具有更好的线性度，重量轻，然后不会影响被测乐器的声响特性。还能够进一步假定这些传感器具有相似的输出电平、输出阻抗，以及所需功率与传统麦克风适当。简言之，便是想象能够使乐工将该传感器刺进到麦克风前置扩大器或混音器输入的方位，就像任何其他麦克风相同。

触摸式麦克风

咱们在前面现已提到过加快度的概念。人耳呼应的是声压，故麦克风也被规划成声压感测功用。为了简化评论，这儿直接给出一个定论，即一个接近振荡体的声压与加快度成正比。¹¹问题是加快度计具有多高的带宽方可用作为触摸式麦克风？

为了研讨清楚这个概念，将一个3轴加快度计安装到吉他上作为一个拾音器。对乐器的振荡进行丈量，并与内置的压电拾音器以及接近吉他的MEMS麦克风进行比较。所用的吉他为Fender Stratacoustic，带有内置的Fender拾音器。在重量很轻的柔性电路（具有刻蚀导线的聚酰亚胺^®) 上贴装了一个模拟输出的MEMS加快度计，并用蜂蜡将其贴装到吉他的琴桥方位，如图7所示。加快度计的X轴与吉他弦线的方向共同，Y轴与吉他弦线笔直，而Z轴则与吉他外表笔直。把一个平整频率呼应到达15kHz的MEMS麦克风安装到距弦线3英寸远的方位作为参阅。

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

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。成果显现呼应中具有较强的低声重量。的确，实践的音频文档中都较多地具有许多低声呼应。这种声响比较动听（还取决于个人偏好），因为腔体谐振能够发生比从乐器上直接听到的更丰厚的低声。

MEMS麦克风的输出则十分平整，乐声的重现作用十分好。其音质十分天然，均衡较好，传神度高。与压电拾音器相同时刻点上测得的FFT频谱如图10(a)所示。作为参阅，图10(b)给出了MEMS麦克风的频率呼应。

MEMS加快度计的输出十分有意思。现在其缺陷包含噪声基底过高，在音轨的开端和结尾都能听到，且Z轴带宽显着约束到较低的频率。每个轴向上的声响再现也显着不同。

X轴和Y轴上的声响明快而清楚，腔调上有可分辨出的显着差异。正如预期，Z轴上的声响显着地首要为低声。图11中(a)、(b)、(c)别离给出了X、Y、Z轴上的频谱。

假如将X、Y和Z轴混合到一同，即可完成乐声的较好重现，具有必定的清楚度。经过对混音环节进行调理，能够完成腔调平衡改动，到达天然的乐声重现。因为现在加快度计的带宽约束，更大规模的高频谐波丢掉了，但声响重现依然惊人地传神。

结束语

低g值MEMS加快度计没有传统的声响反应问题，能够作为乐器所用的高质量拾音器，具有显着的使用潜力。上面的试验成果表明，贴装到Fender Stratacoustic吉他上的一个3轴加快度计能完成杰出的乐声重现。因为乐器本体不同方向上的振荡模式不相同，故与之相关的加快度计3个轴上的声响特性也不相同，对三个通道输出进行混音能够再现本来的音效。此外，用不同的方法对这些通道的声响进行混音处理能够发生赋有创造性的音效。

在本试验中，尽管从加快度计的性能看使用远景不错，但也存在一些缺陷，例如能够听得到传感器的基底噪声，不过能够经过使用噪声门控或许其他技能将这个问题的影响降到最小，并且抱负传感器的噪声基底将与传统麦克风差不多。传感器的高频呼应需求进行扩展，抱负的是能到达20kHz，这样方可掩盖乐器的整个音频规模。

MEMS加快度计技能在乐器的拾音使用方面具有显着的潜在优势，特别是那些为声响反应问题困扰的现场使用。一个体积十分小、低功耗的MEMS器材能够贴装到乐器中任何不显眼的方位上，并且不会影响乐器的天然振荡特性。实践上，能够在乐器的不同方位上贴装数个传感器，为声学工程师重现乐器的天然特质供给额定的活络度，还无需忧虑现场使用的声响反应，因而能够说，间隔”抱负的音乐”只差一步之遥！

参阅电路

¹www.analog.com/en/products/sensors-mems.html.

²www.analog.com/en/products/sensors-mems/accelerometers.html.

³Goodenough, F. “Airbags Boom When IC Accelerometer Sees 50 G.” Electronic Design. August 8 (1991).

⁴Rai-Choudhury, P. “MEMS and MOEMS Technology and Applications.” SPIE Press (2000).

⁵Hopkin, B. “Getting a Bigger Sound: Pickups and Microphones for Your Musical Instrument.” Sharp Press (2002).

⁶www.analog.com/en/products/sensors-mems/accelerometers/adxl001.html.

⁷www.analog.com/en/products/sensors-mems/accelerometers/adxl330.html.

⁸Olsen, H. “A History of High Quality Studio Microphones.” J. of Audio Engineering Society, 24. December 1976.

⁹Fontenot, R. “I Feel Fine: The History of this Classic Beatles Song.” about.com.

¹⁰Freed, A. and O. Isvan. “Musical Applications of New, Multi-Axis Guitar String Sensors.” International Computer Music Conference. pp 543–546 (2000).

¹¹Olsen, H. “Acoustical Engineering.” Professional Audio Journals Inc. (1991).