MEMS 麦克风阵列简介

2019年5月14日 作者:Bruce Rose

MEMS 麦克风阵列简介

各种应用都使用麦克风将音频声音转换为电信号。MEMS 麦克风具有全向指向性,从任何方向都能均匀地拾取声音。很遗憾,转换为电信号的声音中除了所需的声音之外,还常常包含多余的噪音。因此,可以采用 MEMS 麦克风阵列和相关电子元件改善接受检测的声音的音质。该阵列可用于创建一种方向响应(也称为束波),可滤除不需要的噪音,同时处理来自更理想方向的声音。在这篇博文中,我们将介绍 MEMS 麦克风阵列的基础知识,包括它们的工作原理、常见配置和典型应用。

  1. MEMS 麦克风阵列概览
  2. 垂射麦克风阵列
  3. 端射麦克风阵列
  4. 其他 MEMS 麦克风阵列应用
  5. 结论
  6. 有用资源

MEMS 麦克风阵列概览

所需声音(信号)与不需要的声音(噪音)的比率称为信噪比 (SNR)。MEMS 麦克风阵列可用于增强所需声音并减少不需要的声音,从而改善系统的 SNR。

图示较差的和经过改进的信噪比波形
较差的和经过改进的信噪比波形

在构建 MEMS 麦克风阵列时,会使用两个或以上麦克风收集音频声音,然后结合各个麦克风发出的电信号,产生合成的电信号。在结合信号之前,会采用电子电路处理各个麦克风发出的信号(放大、延迟、滤波等)。经过电气处理之后,所需信号得到增强,而不必要的信号则会减弱。若要有效处理信号,阵列中使用的麦克风必须具有紧密匹配的性能规格或者单独表征规格性能。麦克风的灵敏度是保证在阵列中实现良好匹配所需的首要参数。 MEMS 麦克风借助半导体制造工艺,具有紧密匹配的灵敏度容差,可直接使用,是麦克风阵列的理想选择。

垂射麦克风阵列

许多麦克风应用都有特定的来源,以获得所需的声音。因此,通过“收听”指定方向的声音并“忽略”其他方向的声音,可以提高系统的 SNR。垂射麦克风阵列是垂直于所需声源放置的一维或二维麦克风阵列,可将各个麦克风发出的信号相加,从而产生所需的电信号。垂直于阵列的方向产生的声音将同时到达麦克风,因此可在电子处理中积极相加。除垂直于阵列之外的方向产生的声音到达麦克风的时间具有不同程度的延迟。通常,具有不同时间延迟的信号不会“顺利”相加,会产生较低水平的电子信号。

计算机显示器或电视屏幕的音频接口就是垂射麦克风阵列的良好应用。由于用户直接位于屏幕前方,因此阵列将会构建于显示器的同一平面上。此外,还可以在现有显示器的物理深度内实施阵列。

图示典型垂射麦克风阵列配置
典型垂射麦克风阵列配置

端射麦克风阵列

通过在所需声源的方向布置一行麦克风构造端射麦克风阵列,此时所需声音会以不同的时间延迟到达各个麦克风。每个麦克风的处理电路都可以通过电子时间延迟补偿麦克风的音频时间延迟。端射麦克风阵列和垂射麦克风阵列相似,因为来自所需方向的信号能够积极求和,但来自其他方向的信号求和值则较低。

虽然垂射和端射麦克风阵列都可以增强所需轴向的声音捕获并衰减其他噪声源,但是垂射阵列在麦克风阵列的前面和后面可以同等成功地捕获声音。端射阵列仅捕获阵列前方的声音,并将衰减阵列后面以及所有其他方向的噪音。它还需要实际面向所需的声音。手持式麦克风是这种拓扑的一个很好的应用,其中设备可以直接指向正在讲话(或唱歌)的人并且仅捕获该信号。

图示典型端射麦克风阵列配置
典型端射麦克风阵列配置

其他 MEMS 麦克风阵列应用

MEMS麦克风阵列还可用于确定声音相对于阵列的方向。在本应用的一种常见实现中,麦克风会被放置在圆圈或球面的周边上。采用电子信号处理识别各个麦克风发出的所需信号,同时可以借助在各个麦克风之间传送的所需信号的相对时间延迟,确定相对于麦克风阵列的声音源。

声音位置麦克风阵列的常见应用是警察和军队的射击检测。与麦克风阵列相关联的数字信号处理 (DSP) 电路可以区分枪声与其他噪音的特征,然后确定枪击方向。

图示声音位置检测阵列
声音位置检测阵列示例

结论

MEMS 麦克风阵列和相关的电子电路可用于强化声音的监测。消费电子应用通常设计有二到十个麦克风,以控制用户的最终成本。在性能最重要的地方,会提供超过300个麦克风的阵列,用于在整个音频频谱上提供紧密的三维空间分辨率。这些麦克风阵列用于安全检测和监控等应用。但是,只有采用特性良好匹配的麦克风才能实现麦克风阵列。鉴于这一原因,具有低成本和高灵敏度公差的 MEMS 麦克风成为麦克风阵列应用设计者的首选。

有用资源

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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