利用MEMS高帶寬音頻加速度計(jì)獲得更好的聲學(xué)性能

MEM麥克風(fēng)是一種小型的、具有高靈敏度的高信噪比,具有較高的聲過(guò)載點(diǎn)。盡管這些麥克風(fēng)很好,但通過(guò)專用的加速度計(jì)能夠通過(guò)固體材料捕捉不到2KKZ的低頻振動(dòng),可以進(jìn)一步提高音頻質(zhì)量。

這在使用加速計(jì)來(lái)測(cè)量空氣和骨骼誘導(dǎo)刺激引起的頭骨的振動(dòng)(1,2)時(shí)尤為重要,因?yàn)樗梢杂脕?lái)檢測(cè)說(shuō)話者聲音引起的頭骨的振動(dòng)。加速度計(jì)對(duì)空氣中的聲音噪聲是免疫的.本文綜述了這種音頻加速度計(jì)的主要規(guī)格,介紹了其性能數(shù)據(jù),并描述了融合MEMS麥克風(fēng)和音頻加速度計(jì)的工作原理,以及這種組合如何能夠幫助提高加速度計(jì)頻率范圍的音頻質(zhì)量。

音頻加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)具有相同的基本操作原理,而音頻加速度計(jì)則具有適合語(yǔ)音/聲音應(yīng)用的具體特點(diǎn)。它具有較高的采樣和輸出數(shù)據(jù)速率,即8khz/16khz/24khz,以匹配大多數(shù)數(shù)字音頻系統(tǒng),并利用分時(shí)多路復(fù)用接口而不是I2c進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)備描述

加速度計(jì)可以捕捉到2.4khz的振動(dòng)信號(hào),它可以顯著地提高使用MEMS麥克風(fēng)和消除噪音功能的耳機(jī)的音頻質(zhì)量。嵌入在加速度計(jì)中的自我測(cè)試功能消除了對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品電路板進(jìn)行機(jī)械測(cè)試的需要[3]。

與傳統(tǒng)的加速度計(jì)不同的是,您需要一個(gè)利用TDM接口來(lái)傳輸加速度計(jì)數(shù)據(jù)的加速度計(jì)。TDM總線是一種通用的多功能數(shù)據(jù)傳輸接口,用于某些加速度計(jì)上的音頻系統(tǒng)。它允許多個(gè)數(shù)據(jù)框架共享一個(gè)單一的數(shù)字接口[4]。圖1描述了一個(gè)典型的TDM時(shí)鐘生成使用微處理器/DSP和一個(gè)外部振蕩器。該加速度計(jì)是一種僅限于二級(jí)的TDM裝置。它依靠處理器生成TDM時(shí)鐘信號(hào)。

圖1:普通微處理器/DSP配置示例。

設(shè)備性能

你可以使用一個(gè)位于揚(yáng)聲器中心6英寸處的參考麥克風(fēng)測(cè)試加速度計(jì)的音頻性能,加速度計(jì)與它直接安裝在揚(yáng)聲器錐的外部支持環(huán)上。然后,揚(yáng)聲器輸出可以設(shè)置為-6dbsf(114dbspl)由參考麥克風(fēng)測(cè)量。通過(guò)記錄軟件捕捉加速度計(jì)的輸出,并利用音頻精度的繞回函數(shù)進(jìn)行分析,提供了參考麥克風(fēng)和加速度計(jì)的總諧波失真(TDH)比的細(xì)節(jié)。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1:參考麥克風(fēng)和加速度計(jì)在不同頻率下的總諧波失真比。

所收集的數(shù)據(jù)表明,加速度計(jì)的變形性能與參考麥克風(fēng)相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中分析的信號(hào)包括功率放大器和揚(yáng)聲器以及麥克風(fēng)/加速度計(jì)的失真分量。圖2顯示了加速度計(jì)輸出的快速傅里葉變換,并對(duì)傳感器進(jìn)行了500赫茲的刺激。

圖2:振動(dòng)測(cè)試結(jié)果500赫茲。

圖3顯示了加速度計(jì)無(wú)刺激的噪聲性能。圖3A是x軸噪聲輪廓,圖3B是z軸噪聲輪廓。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn),我們略去了y軸的噪聲分布圖,因?yàn)樗cx軸分布圖相似。另一方面,由于傳感元件與X/Y軸的差異,Z軸的輪廓是不同的。

圖3A:加速度計(jì)x軸噪聲密度。

圖3b:加速度計(jì)z軸噪聲密度。

加速度計(jì)和麥克風(fēng)融合

音頻加速度計(jì)提高了麥克風(fēng)在各種應(yīng)用中的性能,包括耳機(jī)/耳機(jī)、能夠識(shí)別和放大低音量聲音的智能揚(yáng)聲器、聲控設(shè)備、骨感應(yīng)耳機(jī)、需要光束形成的應(yīng)用以及語(yǔ)音增強(qiáng)應(yīng)用。

這些結(jié)果表明,設(shè)計(jì)者可以融合來(lái)自加速度計(jì)和麥克風(fēng)的數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)出色的音頻系統(tǒng)性能。例如,這種融合可以提高手機(jī)通話時(shí)的性能,通過(guò)聲控設(shè)備提高準(zhǔn)確性,提供更好的在線游戲體驗(yàn),并在視頻通話中減少鍵盤噪音。

圖4和圖5展示了加速度計(jì)和MEMS麥克風(fēng)融合的主要應(yīng)用,它可以在可聽(tīng)或耳機(jī)中減少風(fēng)的噪音。風(fēng)噪聲通常在1KZ以下,帶有隨機(jī)頻譜,因此很難在不影響整體音頻質(zhì)量的情況下消除風(fēng)噪聲。傳統(tǒng)的非機(jī)械型風(fēng)噪聲減少要求過(guò)濾,它也會(huì)減弱你想要聽(tīng)到的聲音的音頻內(nèi)容。我們提出的麥克風(fēng)/加速度計(jì)融合利用了加速度計(jì)的風(fēng)噪聲免疫來(lái)保持音頻的真實(shí)性。

圖4展示了麥克風(fēng)、加速度計(jì)和算法的示例信號(hào)鏈。該算法將加速度計(jì)的低頻范圍與麥克風(fēng)的高頻范圍相結(jié)合,產(chǎn)生了高質(zhì)量的寬帶音頻。這一方法大大提高了刮風(fēng)環(huán)境下的音頻質(zhì)量。盡管在微電話輸出中的音頻信號(hào)主要由風(fēng)噪聲組件控制,但麥克風(fēng)和加速度計(jì)解決方案消除了風(fēng)噪聲,因此它只輸出所需的音頻。

圖4:麥克風(fēng)和加速度計(jì)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

圖5:音頻信號(hào)的前處理和后處理。

結(jié)論

將先進(jìn)規(guī)格和特點(diǎn)的加速度計(jì)與麥克風(fēng)結(jié)合起來(lái),可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高系統(tǒng)的聲音質(zhì)量。與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比,音頻加速度計(jì)具有2.4KZ的帶寬,數(shù)字音頻兼容的輸出數(shù)據(jù)速率,以及便于與普通數(shù)字音頻系統(tǒng)集成的TDM接口。

其價(jià)值的關(guān)鍵是加速度計(jì)對(duì)環(huán)境噪聲源的免疫力,它提供了一個(gè)解決問(wèn)題的辦法,如風(fēng)噪聲和提高音頻質(zhì)量,而沒(méi)有傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)。