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利用带MEMS麦克风的高带宽加速度计获得更好的声学性能

2024-02-15 09:00:00 Jay Esfandyari和Royce Higashi 阅读:
本文探讨了如何利用MEMS麦克风和音频加速度计的组合,通过固体材料捕获小于2kHz的低频振动,从而检测由说话者的声音引起的头骨振动。

MEMS麦克风可捕获空气中的宽带声波,具有体积小、信噪比高、灵敏度高、频率响应平坦和高声学过载点的优点。与这类麦克风一样,还可以通过专用加速度计(可通过固体材料捕获小于2kHz的低频振动)的数据使音频质量进一步提高。xCrednc

当利用加速度计测量空气和骨传导刺激引起的颅骨振动(进而检测说话者声音)时,这一点尤其重要[12]。加速度计不受空气传播噪声的影响。本文回顾了此类音频加速度计的主要规格,介绍了其性能数据,并描述了将MEMS麦克风和音频加速度计融合起来的工作原理,以及这种组合如何帮助在加速度计频率范围内获得更高的音频质量。xCrednc

虽然音频加速度计和标准加速度计具有相同的基本工作原理,但音频加速度计具有针对语音/声音应用定制的特定功能。它具有更高的采样率和输出数据速率(8kHz/16kHz/24kHz),以匹配大多数数字音频系统,并利用时分复用(TDM)接口而不是I2C进行数据传输。xCrednc

器件描述

该加速度计可捕获高达2.4kHz的振动信号,从而使采用降噪功能MEMS麦克风的可听戴设备或智能耳机的音频质量显著提高。加速度计中嵌入的自测试功能消除了对每个产品PCB进行机械测试的需要[3]xCrednc

与传统的加速度计不同,这里的加速度计需要利用TDM接口来传输加速度计数据。TDM总线是音频系统的通用多时隙数据传输接口,存在于某些加速度计上。它允许多个数据帧共享单个数字接口[4]图1描述了如何使用微处理器/DSP和外部振荡器生成典型的TDM时钟。加速度计是仅辅助TDM器件。它依靠处理器来生成TDM时钟信号。xCrednc

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图1:通用微处理器/DSP配置示例。xCrednc

器件性能

可以使用参考麦克风来测试加速度计的音频性能,具体做法就是将参考麦克风设置在距离扬声器中心6英寸处,与加速度计同轴,然后将其直接安装在扬声器锥体的外支撑环上。然后,可以将扬声器输出设置为-6dBFS(114dBSPL),并由参考麦克风测量。通过录音软件捕获加速度计输出并使用音频精度的环回功能对其进行分析,可以提供参考麦克风和加速度计的总谐波失真(THD)比的详细信息。结果如表1所示。xCrednc

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表1:不同频率下参考麦克风和加速度计的总谐波失真比。xCrednc

收集的数据表明,加速度计的失真性能与参考麦克风相当。本实验中分析的信号包括功率放大器和扬声器以及麦克风/加速度计的失真分量。图2显示了对传感器施加500Hz激励时加速度计输出的快速傅立叶变换。xCrednc

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图2:500Hz振动测试结果。xCrednc

图3显示了无激励时加速度计的噪声性能。图3a是X轴噪声曲线,图3b是Z轴噪声曲线。为了简洁起见,我们省略了Y轴噪声分布,因为它与X轴分布相似。另一方面,与X/Y轴相比,由于传感元件的差异,Z轴轮廓有所不同。xCrednc

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图3a:加速度计X轴噪声密度。xCrednc

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图3b:加速度计Z轴噪声密度。xCrednc

加速度计和麦克风融合

音频加速度计可在一系列应用中提高麦克风的性能,包括头戴式耳机/头戴式带麦耳机、能够识别和放大小音量声音的智能扬声器、声控设备、骨传导耳机、需要波束形成的应用以及语音增强应用。xCrednc

这些结果表明设计人员可以将来自加速度计和麦克风的数据融合起来,以实现出色的音频系统性能。例如,可以通过融合提高手机在通话过程中的性能,提高声控设备的准确性,提供更好的在线游戏体验,并减少视频通话期间的键盘噪声。xCrednc

图4图5展示了加速度计和MEMS麦克风融合的主要应用,它可以减少可听戴设备或耳戴式耳机中的风噪声。风噪声通常低于1kHz,并具有随机频谱,因此很难在不影响整体音频质量的情况下将其消除。传统的非机械风噪声降低需要滤波,这也会削弱用户想听到的声音的音频内容。我们提出的麦克风/加速度计融合利用了加速度计的抗风噪能力来保持音频保真度。xCrednc

图4给出了麦克风、加速度计和算法的信号链示例。该算法将加速度计的低频范围与麦克风的高频范围相结合,从而产生了高质量的宽带宽音频。这种方法显著提高了有风环境中的音频质量。仅麦克风输出中的音频信号主要由风噪声分量主导,而麦克风和加速度计解决方案消除了风噪声,因此它仅输出所需的音频。xCrednc

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图4:麦克风和加速度计信号链示例。xCrednc

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图5:音频信号的预处理和后处理。xCrednc

总结

将具有先进规格和功能的加速度计与麦克风相结合,可以帮助系统设计人员提高系统的音质。与传统加速度计相比,音频加速度计具有2.4kHz的带宽、数字音频兼容的输出数据速率以及可轻松与常见数字音频系统集成的TDM接口。xCrednc

其价值的关键在于加速度计不受环境噪声源的影响,这为风噪声等问题提供了解决方案,并提高了音频质量,且没有传统技术的缺点。xCrednc

参考文献

  1. Sabine Reinfeldt, Stefan Stenfelta), Tobias Good, and Bo Håkansson. “Examination of bone-conducted transmission from sound field excitation measured by thresholds, ear-canal sound pressure, and skull vibrations,” The Journal of the Acoustical Society of America 121, 1576 (2007); https://doi.org/10.1121/1.2434762.
  2. Kim, C J. Objective measurements of skull vibration during bone conduction audiometry. 2010, University of Zurich, Faculty of Medicine.
  3. Datasheet – MEMS digital output motion sensor: low noise, high bandwidth, 3-axis accelerometer with TDM interface – STMicroelectronics
  4. Application note: audio accelerometer, STMicroelectronics

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Jay Esfandyari是意法半导体美洲区的高级产品营销经理,拥有20多年的行业经验。他撰写和合著了多篇有关固体物理、MEMS技术和传感器的论文,并拥有奥地利维也纳科技大学电气工程硕士学位和博士学位。xCrednc

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Royce Higashi是意法半导体美洲地区的一名应用工程师,专注于MEMS传感器和音频应用。他在加州大学戴维斯分校获得了电子工程学士学位。xCrednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded,参考链接:Using a high bandwidth accelerometer with MEMS mic to get better acoustic performance,由Franklin Zhao编译。)xCrednc

本文为《电子技术设计》2024年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里xCrednc

责编:Franklin
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