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用MEMS加速度计作为拾音器实现乐器音效完美再现

时间:2021-08-27    来源:鸭脖体育官网    人气:

本文摘要:MEMS(微机电系统)利用专为半导体集成电路所研发的生产工艺设施构建生产生产。微机电结构的构建方法是通过在半导体基片上光刻特定的图形,来构建传感器单元或者可以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应用于的产品,如今用作负责管理监测数以亿计的发动机燃烧室和轮胎的压力;而MEMS加速度计则用作安全气囊、下坠检测以及汽车报警系统,时间也已多达15年之久。MEMS加速度计还用作消费电子领域里的运动感应器,如视频游戏与手机。

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MEMS(微机电系统)利用专为半导体集成电路所研发的生产工艺设施构建生产生产。微机电结构的构建方法是通过在半导体基片上光刻特定的图形,来构建传感器单元或者可以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应用于的产品,如今用作负责管理监测数以亿计的发动机燃烧室和轮胎的压力;而MEMS加速度计则用作安全气囊、下坠检测以及汽车报警系统,时间也已多达15年之久。MEMS加速度计还用作消费电子领域里的运动感应器,如视频游戏与手机。

MEMS微镜光学执行器用作投影仪、HDTV以及数字影院。近几年,MEMS麦克风也开始转入辽阔的消费市场,还包括手机、蓝牙耳机、个人计算机以及数码相机等。本文将辩论MEMS加速度计产品中所使用的一些关键技术,并辩论这些技术如何为声学传感器带给新的应用于。

MEMS加速度计技术典型的MEMS加速度计的核心单元是一个由两组指状栅条构成的可移动条形结构:其中一组相同到基片上一个实体地平面上;而另一组则相连到一个加装到一组弹簧上的质量块上,该弹簧需要根据所产生的加速度产生移动。所产生的加速度(图1)将转变相同和移动栅条之间的电容。图1.MEMS加速度计结构图2.ADXL50MEMS加速度计结构这些MEMS结构的尺寸为微米量级(图2),故必须精度极高的半导体光刻和转印工艺技术。MEMS结构一般来说使用单晶硅构成,或者使用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。

使用这一灵活性的技术可以构成机械特性差异相当大的结构。其中一个可以掌控和可转变的机械参数是弹簧刚性。设计中还可以转变传感单元的质量以及结构阻尼。

传感器可以构建从零点几个g到数百个g加速度的感应器,其比特率高达20kHz。图3.ADXL202±2g加速度计MEMS传感单元可以被相连到坐落于同一芯片(图3)或者有所不同芯片(图4)上的信号调理电路。对于单芯片解决方案,传感单元的电容可以较低至每g1-2毫头顶法拉,这相等于10-18F的测量分辨率!而在双芯片架构中,MEMS单元的电容必需充足低,以解决MEMS和ASIC调理电路之间连接线的寄生电容影响。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器传感器展开拾音的概念也并非新概念。

压电和电磁传感器是当今许多声学拾音应用于的基础。由于微型的MEMS加速度计体积和质量都较小,会对乐器产生机械或质量载荷方面的影响,从而在这些应用于中极具吸引力。不过迄今为止,由于商用加速度传感器的比特率较宽,其应用于还较为受限。

加速度计技术方面的一些近期突破性进展成就了具备十分高带宽但又十分小的加速度计的量产。使用5mm×5mm×2mmPCB的ADXL001(图5)低g(±70g到±500g)单轴加速度计的比特率已低约22kHz,是监测振动的理想自由选择,可以通过检测设备声学特性的变化来确认电机或其他工业设备的“身体健康”状况。在轴承磨损的早期阶段,利用一个贴附在系统基座上的高g振动传感器,就可以检测到一个坐落于音频范围内的明晰振动信号。

这种用来测量高达10g量级的类似传感器,似乎要用作为乐器的声学振动传感器是过于灵敏的。理想的声学传感器必须测量所有3个轴向下的号召,而它却不能感应器单轴运动。

然而目前早已证明,使用MEMS技术早已需要构建仅有音频比特率内的加速度传感器。图5.ADXL001的频率响应曲线较低g加速度计可以测量较低至千分之一g级的加速度,但比特率一般被容许在5kHz左右。实质上这一容许的原因有可能是必须很高带宽的商业应用于过于较少(主要的应用于还包括人的运动或者重力引发的加快检测),故缺少研发尤其限于于音频频段测量的传感器的动力。

一个3轴加速度计有3个独立国家的输入,分别测量笛卡儿座标中X,Y,Z轴上的加速度。ADXL3303轴较低g加速度计具备比传统的较低g加速度计更加长的有效地比特率,其比特率在X和Y轴上超过6kHz,而在Z轴上为1kHz左右。

虽然还过于理想,但这个比特率早已使得该器件可以提供音频段上的简单信息。其输入为模拟信号,故很更容易用作标准的录音设备。该器件使用标准的表贴PCB,充分利用了成熟期的半导体工艺生产设备。

其PCB尺寸为4mm×4mm×1.45mm(图6),可以限于于对于传统加速度计技术来说真是是不可思议的地方。其体积十分小,会引发被测系统中质量载荷或者其他方面的转变。

下面将讲解为何该较低g加速度计可以用作吉他的声学拾音应用于。图6.MEMS加速度计,PCB尺寸为4mm×4mm×1.45mm声音对系统问题丹麦科学家SorenLarsen在上世纪20年代中期首次引进了全向电容式动态麦克风,是他最先找到了声音对系统原理(称作Larsen效应)。对声学工程师来说,声音对系统仍然都是一个噩梦,很少有工程师需要几乎掌控它,特别是在任何表演现场都不可避免。

甲壳虫乐队充份感受到了这种伪声的影响,继而在1964年要求将其加到到他们感人的专辑“我感觉很好”的讲解曲中。随后RocknRoll也开始像驯服野兽一样利用它,利用声音对系统在摇滚乐中加添了令人耳目一新的特色。

而电吉他手,如PeteTownshend和JimiHendrix,则蓄意地把吉他附近扬声器来利用声音对系统。随着这种风潮的消失,音频工程师之后希望避免声音对系统所引发的令人呼吸困难的听力效果,特别是在现场表演过程中。在极致设计并经过类似声学处置的试音室里,利用仅有向麦克风可以极致地录音乐器声,完全超过难以置信的现场感和保真度。

解读并爱护这一点的艺术家仍然都在孜孜不倦地谋求如何需要把这种效果轻现在舞台上。虽然期望需要以演播室一样的质量来录音现场表演仍然都是音乐家的梦想,然而实质上这毕竟不有可能的。即使在舞台上使用最差的音响设备,舞台也经过了极好的声学设计,声音工程师也能通晓地利用各种混响并可以享有最佳的设备和工具,但要获得理想的音效依然不存在着难以逾越的障碍:那就是声音对系统。

声学拾音一般来说通过使用定向麦克风可以把声音对系统减半到大于。或许上这是可以的,不过必须调音工程师不时地调节,来适应环境舞台特性的大大变化。

利用拾音器可以对乐器声音展开缩放。所使用的各种技术具备一定差异,但基本的原理都是必要感应器乐器本身的振动,而并非检测空中它所产生的声波。这种作法的优点很显著:即拾音器完全会产生声音对系统,原因是它们对空气中传送的声波不脆弱。

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但这种方法也有许多缺点:还包括要在乐器上寻找最佳的倾听方位是极为艰难的,压电拾音器的声学特性也相比之下算不上极致,它们的输出阻抗为高阻,故必须类似的乐器输出或直拦盒(directboxes)。此外,体积也较小,从而不会影响乐器本身的大自然声学特性。于是,这些问题造成了低质量接触式麦克风的概念。假如我们使用一个表面式传感器来测量乐器本体的加速度,这要比单轴更加适合。

这种传感器具备更佳的线性度,轻巧,从而会影响被测乐器的声音特性。还可以更进一步假设这些传感器具备类似于的输入电平、输出阻抗,以及所须要功率与传统麦克风非常。简言之,就是设想需要使乐师将该传感器放入到麦克风前置放大器或混音器输出的方位,就像任何其他麦克风一样。

接触式麦克风我们在前面早已提及过加速度的概念。人耳号召的是声压,故麦克风也被设计成声压感测功能。

为了修改辩论,这里必要得出一个结论,即一个附近振动体的声压与加速度成正比。问题是加速度计具备多低的比特率方可用作为接触式麦克风?为了研究确切这个概念,将一个3轴加速度计加装到吉他上作为一个拾音器。对乐器的振动展开测量,并与内置的压电拾音器以及附近吉他的MEMS麦克风展开较为。所用的吉他为FenderStratacoustic,具有内置的Fender拾音器。

在重量较轻的柔性电路(具备光刻导线的聚酰亚胺)上贴装了一个模拟输出的MEMS加速度计,后用蜂蜡将其张贴装进吉他的琴桥方位,如图7右图。加速度计的X轴与吉他弦线的方向完全一致,Y轴与吉他弦线横向,而Z轴则与吉他表面横向。

把一个平缓频率响应超过15kHz的MEMS麦克风加装到距弦线3英寸近的方位作为参照。图7.加装到FenderStratacoustic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麦克风各自录音了一段声音。图8得出了每个传感器的时域波形,这里没对任何音段展开后处理。

图8.使用有所不同传感器的时域波形图9右图为在上述时域波形的一个峰值上所测出的压电拾音器的FFT频谱。结果显示号召中具备较强的低音分量。显然,实际的音频文档中都较多地具备许多低音号召。这种声音较为清脆(还各不相同个人偏爱),因为腔体谐振需要产生比从乐器上必要听见的更加非常丰富的低音。

图9.压电拾音器的频谱MEMS麦克风的输入则十分平缓,乐声的再现效果十分好。其音质十分大自然,平衡较好,逼真度低。与压电拾音器完全相同时间点上测出的FFT频谱如图10(a)右图。作为参照,图10(b)得出了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加速度计的输入十分有意思。目前其缺点还包括噪声基底过低,在音轨的开始和末尾都能听见,且Z轴比特率显著容许到较低的频率。每个轴向下的声音重现也明显有所不同。

X轴和Y轴上的声音流畅而明晰,声调下有可辨别出有的显著差异。正如预期,Z轴上的声音显著地主要为低音。图11中(a)、(b)、(c)分别得出了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,才可构建乐声的较好再现,具备一定的清晰度。通过对混音环节展开调节,可以构建音调均衡变化,超过大自然的乐声再现。由于目前加速度计的比特率容许,更大范围的高频谐波遗失了,但声音再现依然难以置信地细致。

结束语较低g值MEMS加速度计没传统的声音对系统问题,可以作为乐器所用的高质量拾音器,具备显著的应用于潜力。上面的实验结果表明,张贴装进FenderStratacoustic吉他上的一个3轴加速度计能构建较好的乐声再现。

由于乐器本体有所不同方向上的振动模式不一样,故与之涉及的加速度计3个轴上的声音特性也不一样,对三个地下通道输入展开混音可以重现原本的音效。此外,用有所不同的方式对这些地下通道的声音展开混音处置可以产生富裕创造性的音效。在本实验中,虽然从加速度计的性能看应用于前景不俗,但也不存在一些缺点,例如需要听得获得传感器的基底噪声,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至大于,而且理想传感器的噪声基底将与传统麦克风差不多。

传感器的高频号召必须展开拓展,理想的是能超过20kHz,这样方可覆盖面积乐器的整个音频范围。MEMS加速度计技术在乐器的拾音应用于方面具备显著的潜在优势,尤其是那些为声音对系统问题后遗症的现场应用于。

一个体积十分小、低功耗的MEMS器件可以张贴装进乐器中任何不醒目的方位上,而且会影响乐器的大自然振动特性。实质上,可以在乐器的有所不同方位上贴装数个传感器,为声学工程师再现乐器的大自然特质获取额外的灵活性度,还需要担忧现场应用于的声音对系统,因此可以说道,距离“理想的音乐”只差一步之遥!。


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