MEM麥克風是一種小型的、具有高靈敏度的高信噪比,具有較高的聲過載點。盡管這些麥克風很好,但通過專用的加速度計能夠通過固體材料捕捉不到2KKZ的低頻振動,可以進一步提高音頻質(zhì)量。

這在使用加速計來測量空氣和骨骼誘導刺激引起的頭骨的振動(1,2)時尤為重要,因為它可以用來檢測說話者聲音引起的頭骨的振動。加速度計對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麥克風和音頻加速度計的工作原理,以及這種組合如何能夠幫助提高加速度計頻率范圍的音頻質(zhì)量。

音頻加速度計和標準加速度計具有相同的基本操作原理,而音頻加速度計則具有適合語音/聲音應用的具體特點。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),并利用分時多路復用接口而不是I2c進行數(shù)據(jù)傳輸。

設備描述

加速度計可以捕捉到2.4khz的振動信號,它可以顯著地提高使用MEMS麥克風和消除噪音功能的耳機的音頻質(zhì)量。嵌入在加速度計中的自我測試功能消除了對每一個產(chǎn)品電路板進行機械測試的需要[3]。

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

圖1:普通微處理器/DSP配置示例。

設備性能

你可以使用一個位于揚聲器中心6英寸處的參考麥克風測試加速度計的音頻性能,加速度計與它直接安裝在揚聲器錐的外部支持環(huán)上。然后,揚聲器輸出可以設置為-6dbsf(114dbspl)由參考麥克風測量。通過記錄軟件捕捉加速度計的輸出,并利用音頻精度的繞回函數(shù)進行分析,提供了參考麥克風和加速度計的總諧波失真(TDH)比的細節(jié)。結果見表1。

表1:參考麥克風和加速度計在不同頻率下的總諧波失真比。

所收集的數(shù)據(jù)表明,加速度計的變形性能與參考麥克風相當。實驗中分析的信號包括功率放大器和揚聲器以及麥克風/加速度計的失真分量。圖2顯示了加速度計輸出的快速傅里葉變換,并對傳感器進行了500赫茲的刺激。

圖2:振動測試結果500赫茲。

圖3顯示了加速度計無刺激的噪聲性能。圖3A是x軸噪聲輪廓,圖3B是z軸噪聲輪廓。為了簡潔起見,我們略去了y軸的噪聲分布圖,因為它與x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x軸噪聲密度。

圖3b:加速度計z軸噪聲密度。

加速度計和麥克風融合

音頻加速度計提高了麥克風在各種應用中的性能,包括耳機/耳機、能夠識別和放大低音量聲音的智能揚聲器、聲控設備、骨感應耳機、需要光束形成的應用以及語音增強應用。

這些結果表明,設計者可以融合來自加速度計和麥克風的數(shù)據(jù),以實現(xiàn)出色的音頻系統(tǒng)性能。例如,這種融合可以提高手機通話時的性能,通過聲控設備提高準確性,提供更好的在線游戲體驗,并在視頻通話中減少鍵盤噪音。

圖4和圖5展示了加速度計和MEMS麥克風融合的主要應用,它可以在可聽或耳機中減少風的噪音。風噪聲通常在1KZ以下,帶有隨機頻譜,因此很難在不影響整體音頻質(zhì)量的情況下消除風噪聲。傳統(tǒng)的非機械型風噪聲減少要求過濾,它也會減弱你想要聽到的聲音的音頻內(nèi)容。我們提出的麥克風/加速度計融合利用了加速度計的風噪聲免疫來保持音頻的真實性。

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

圖4:麥克風和加速度計信號鏈示例。

圖5:音頻信號的前處理和后處理。

結論

將先進規(guī)格和特點的加速度計與麥克風結合起來,可以幫助系統(tǒng)設計人員提高系統(tǒng)的聲音質(zhì)量。與傳統(tǒng)的加速度計相比,音頻加速度計具有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。

其價值的關鍵是加速度計對環(huán)境噪聲源的免疫力,它提供了一個解決問題的辦法,如風噪聲和提高音頻質(zhì)量,而沒有傳統(tǒng)技術的缺點。