MEMS加速度計在聲學(xué)拾音器中的應(yīng)用

　　引言

　　MEMS1 (微機(jī)電系統(tǒng))利用專為半導(dǎo)體集成電路所開發(fā)的制造工藝設(shè)施實現(xiàn)生產(chǎn)制造。微機(jī)電結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法是通過在半導(dǎo)體基片上刻蝕特定的圖形，來實現(xiàn)傳感器單元或者可以移動零點幾微米的機(jī)械執(zhí)行器。MEMS壓力傳感器是第一類批量應(yīng)用的產(chǎn)品，如今用于負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)以億計的發(fā)動機(jī)歧管和輪胎的壓力;而MEMS加速度計則用于安全氣囊、翻滾檢測以及汽車報警系統(tǒng)，時間也已超過15年之久。

　　MEMS 加速度計2 還用于消費電子領(lǐng)域里的運動感應(yīng)，如視頻游戲與手機(jī)。MEMS微鏡光學(xué)執(zhí)行器用于投影儀、HDTV以及數(shù)字影院。近幾年，MEMS麥克風(fēng)3也開始進(jìn)入廣闊的消費市場，包括手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、個人計算機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)等。

　　本文將討論MEMS加速度計產(chǎn)品中所采用的一些關(guān)鍵技術(shù)，并討論這些技術(shù)如何為聲學(xué)傳感器帶來新應(yīng)用。

　　MEMS加速度計技術(shù)

　　典型的MEMS加速度計的核心單元是一個由兩組指狀柵條組成的可移動條形結(jié)構(gòu)：其中一組固定到基片上一個實體地平面上;而另一組則連接到一個安裝到一組彈簧上的質(zhì)量塊上，該彈簧能夠根據(jù)所施加的加速度產(chǎn)生移動。所施加的加速度(圖1)將改變固定和移動?xùn)艞l之間的電容。4

　　

 

　　圖1：MEMS加速度計結(jié)構(gòu)。

　　

 

　　圖2：ADXL50 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)。

　　這些MEMS結(jié)構(gòu)的尺寸為微米量級(圖2)，故需要精度極高的半導(dǎo)體光刻和蝕刻工藝技術(shù)。MEMS結(jié)構(gòu)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(shù)可以形成機(jī)械特性差異很大的結(jié)構(gòu)。其中一個可以控制和可改變的機(jī)械參數(shù)是彈簧剛度。設(shè)計中還可以改變傳感單元的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)阻尼。傳感器可以實現(xiàn)從零點幾個g到數(shù)百個g加速度的感應(yīng)，其帶寬高達(dá)20kHz。

　　

 

　　圖3：ADXL202 ±2 g加速度計。

　　MEMS傳感單元可以被連接到位于同一芯片(圖3)或者不同芯片(圖4)上的信號調(diào)理電路。對于單芯片解決方案，傳感單元的電容可以低至每g 1-2毫微微法拉，這相當(dāng)于10-18F的測量分辨率! 而在雙芯片架構(gòu)中，MEMS單元的電容必須足夠高，以克服MEMS和ASIC調(diào)理電路之間連接線的寄生電容影響。5

　　

 

　　圖4：典型的雙芯片加速度計的截面圖。[!--empirenews.page--]

　　作為振動測量傳感器的加速度計

　　在樂器中利用振動感應(yīng)傳感器進(jìn)行拾音的概念也并非新概念。6 壓電和電磁傳感器是當(dāng)今許多聲學(xué)拾音應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于微型的MEMS加速度計體積和質(zhì)量都很小，不會對樂器產(chǎn)生機(jī)械或質(zhì)量載荷方面的影響，從而在這些應(yīng)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(yīng)用還比較有限。

　　加速度計技術(shù)方面的一些最新突破性進(jìn)展成就了具有非常高帶寬但又非常小的加速度計的量產(chǎn)。采用5mm×5mm×2mm封裝的 ADXL0017(圖5)高g(±70g到±500g)單軸加速度計的帶寬已高達(dá)22kHz，是監(jiān)測振動的理想選擇，可以通過檢測設(shè)備聲學(xué)特性的變化來確定電機(jī)或其他工業(yè)設(shè)備的“健康”狀況。在軸承磨損的早期階段，利用一個貼附在系統(tǒng)基座上的高g振動傳感器，就可以檢測到一個位于音頻范圍內(nèi)的清晰振動信號。這種用來測量高達(dá)10g量級的特殊傳感器，顯然要用作為樂器的聲學(xué)振動傳感器是不夠靈敏的。理想的聲學(xué)傳感器需要測量所有3個軸向上的響應(yīng)，而它卻只能感應(yīng)單軸運動。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全音頻帶寬內(nèi)的加速度傳感器。

　　

 

　　圖5：ADXL001的頻率響應(yīng)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(yè)應(yīng)用太少(主要的應(yīng)用包括人的運動或者重力引起的加速檢測)，故缺乏開發(fā)特別適用于音頻頻段測量的傳感器的動力。

　　一個3軸加速度計有3個獨立的輸出，分別測量笛卡兒坐標(biāo)中X、Y、Z軸上的加速度。 ADXL3308 3軸低g加速度計具有比傳統(tǒng)的低g加速度計更寬的有效帶寬，其帶寬在X和Y軸上高達(dá)6kHz，而在Z軸上為1kHz左右。雖然還不夠理想，但這個帶寬已經(jīng)使得該器件可以獲取音頻段上的有用信息。其輸出為模擬信號，故很容易用于標(biāo)準(zhǔn)的錄音設(shè)備。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的表貼封裝，充分利用了成熟的半導(dǎo)體工藝制造設(shè)備。其封裝尺寸為4mm×4mm×1.45mm(圖6)，可以適用于對于傳統(tǒng)加速度計技術(shù)來說簡直是不可思議的地方。其體積非常小，不會引起被測系統(tǒng)中質(zhì)量載荷或者其他方面的改變。下面將介紹為何該低g加速度計可以用于吉他的聲學(xué)拾音應(yīng)用。

　　

 

　　圖6：MEMS加速度計，封裝尺寸為4mm× 4mm×1.45mm。

　　聲音反饋問題

　　丹麥科學(xué)家Soren Larsen在上世紀(jì)20年代9中期首次引入了全向電容式動態(tài)麥克風(fēng)，是他最早發(fā)現(xiàn)了聲音反饋原理(稱為Larsen效應(yīng))。對聲學(xué)工程師來說，聲音反饋一直都是一個噩夢，很少有工程師能夠完全控制它，特別是在任何演出現(xiàn)場都不可避免。甲殼蟲樂隊充分感受到了這種偽聲的影響，繼而在196410年決定將其添加到他們難忘的專輯“我感覺很好”的介紹曲中。隨后Rock ‘n’ Roll也開始像馴服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂中增添了令人耳目一新的特色。而電吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，則故意地把吉他靠近揚聲器來利用聲音反饋。隨著這種風(fēng)潮的消退，音頻工程師繼續(xù)努力消除聲音反饋所引起的令人不適的聽覺效果，特別是在現(xiàn)場演出過程中。在完美設(shè)計并經(jīng)過特殊聲學(xué)處理的試音室里，利用全向麥克風(fēng)可以完美地錄制樂器聲，幾乎達(dá)到驚人的現(xiàn)場感和保真度。理解并珍惜這一點的藝術(shù)家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現(xiàn)在舞臺上。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來錄制現(xiàn)場演出一直都是音樂家的夢想，然而實際上這卻是不可能的。即使在舞臺上采用最好的音響設(shè)備，舞臺也經(jīng)過了極佳的聲學(xué)設(shè)計，聲音工程師也能精通地利用各種混響并可以擁有最佳的設(shè)備和工具，但要獲得理想的音效仍然存在著難以逾越的障礙：那就是聲音反饋。

　　聲學(xué)拾音

　　通常通過采用定向麥克風(fēng)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(diào)音工程師不停地調(diào)節(jié)，來適應(yīng)舞臺特性的不斷變化。

　　利用拾音器可以對樂器聲音進(jìn)行放大。所采用的各種技術(shù)具有一定差異，但基本的原理都是直接感應(yīng)樂器本身的振動，而并非檢測空中它所產(chǎn)生的聲波。這種做法的優(yōu)點很明顯：即拾音器幾乎不會產(chǎn)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(fā)聲位置是極其困難的，壓電拾音器的聲學(xué)特性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)特性。

　　于是，這些問題導(dǎo)致了低質(zhì)量接觸式麥克風(fēng)的概念。假如我們采用一個表面式傳感器來測量樂器本體的加速度，這要比單軸更合適。11這種傳感器具有更好的線性度，重量輕，從而不會影響被測樂器的聲音特性。還可以進(jìn)一步假定這些傳感器具有類似的輸出電平、輸出阻抗，以及所需功率與傳統(tǒng)麥克風(fēng)相當(dāng)。簡言之，就是設(shè)想能夠使樂師將該傳感器插入到麥克風(fēng)前置放大器或混音器輸入的位置，12就像任何其他麥克風(fēng)一樣。

　　接觸式麥克風(fēng)

　　我們在前面已經(jīng)提到過加速度的概念。人耳響應(yīng)的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設(shè)計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結(jié)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(fēng)?

　　為了研究清楚這個概念，將一個3軸加速度計安裝到吉他上作為一個拾音器。對樂器的振動進(jìn)行測量，并與內(nèi)置的壓電拾音器以及靠近吉他的MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行比較。所用的吉他為Fender Stratacoustic，帶有內(nèi)置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路(具有刻蝕導(dǎo)線的聚酰亞胺)上貼裝了一個模擬輸出的MEMS加速度計，并用蜂蠟將其貼裝到吉他的琴橋位置，如圖7所示。加速度計的X軸與吉他弦線的方向一致，Y軸與吉他弦線垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。把一個平坦頻率響應(yīng)達(dá)到15kHz的MEMS麥克風(fēng)安裝到距弦線3英寸遠(yuǎn)的位置作為參考。

　　

 

　　圖7：安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計。[!--empirenews.page--]

　　利用該加速度計、內(nèi)置的壓電拾音器和MEMS麥克風(fēng)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(jìn)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(jié)果顯示響應(yīng)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(yīng)。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(chǎn)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(fēng)的輸出則非常平坦，樂聲的重現(xiàn)效果非常好。其音質(zhì)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(fēng)的頻率響應(yīng)。

　　

 

　　圖10(a)：MEMS麥克風(fēng)的頻譜。

　　

 

　　圖10(b)：MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)。[!--empirenews.page--]

　　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(xiàn)也顯著不同。

　　X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調(diào)上有可分辨出的明顯差異。正如預(yù)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(xiàn)樂聲的較好重現(xiàn)，具有一定的明晰度。通過對混音環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)音調(diào)平衡變化，達(dá)到自然的樂聲重現(xiàn)。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(xiàn)仍然驚人地逼真。

　　結(jié)束語

　　低g值MEMS加速度計沒有傳統(tǒng)的聲音反饋問題，可以作為樂器所用的高質(zhì)量拾音器，具有明顯的應(yīng)用潛力。上面的實驗結(jié)果表明，貼裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個3軸加速度計能實現(xiàn)良好的樂聲重現(xiàn)。由于樂器本體不同方向上的振動模式不一樣，故與之相關(guān)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(jìn)行混音可以再現(xiàn)原來的音效。此外，用不同的方式對這些通道的聲音進(jìn)行混音處理可以產(chǎn)生富有創(chuàng)造性的音效。

　　在本實驗中，雖然從加速度計的性能看應(yīng)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(shù)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(tǒng)麥克風(fēng)差不多。傳感器的高頻響應(yīng)需要進(jìn)行擴(kuò)展，理想的是能達(dá)到20kHz，這樣方可覆蓋樂器的整個音頻范圍。

　　MEMS加速度計技術(shù)在樂器的拾音應(yīng)用方面具有明顯的潛在優(yōu)勢，特別是那些為聲音反饋問題困擾的現(xiàn)場應(yīng)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(shù)個傳感器，為聲學(xué)工程師重現(xiàn)樂器的自然特質(zhì)提供額外的靈活度，還無需擔(dān)心現(xiàn)場應(yīng)用的聲音反饋，因此可以說，距離“理想的音樂”只差一步之遙!