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作者：ADI公司 Rob O’Reilly Alex Khenkin Kieran Harney 日期：2009-9-7 MEMS（微機電系統）傳感器在汽車(chē)、手機、個(gè)人電腦、相機等各種應用中屢見(jiàn)不鮮，但是直到現在，這類(lèi)傳感器還未用于吉他領(lǐng)域。本文作者將探究以下問(wèn)題的答案：如何采用MEMS加速度計作為聲學(xué)傳感器。 MEMS加速度計技術(shù) 典型的MEMS加速度計的核心單元是一個(gè)由兩組指狀柵條組成的可移動(dòng)條形結構：其中一組固定到襯底上，而另一組則安裝到一組彈簧上的質(zhì)量塊上，該彈簧能夠根據所施加的力產(chǎn)生移動(dòng)，改變固定柵條與移動(dòng)柵條之間的電容（見(jiàn)圖1）。 
圖1 MEMS加速度計的結構 MEMS結構（見(jiàn)圖2）通常采用單晶硅制成，或者采用以極高的溫度沉積到單晶硅晶圓表面上的多晶硅。采用這一靈活的技術(shù)可以制成機械特性差異很大的結構。彈簧剛度、感測元件的質(zhì)量以及結構阻尼都可以通過(guò)設計進(jìn)行控制和改變，從而實(shí)現可感應從零點(diǎn)幾個(gè)g到數百個(gè)g的帶寬高達20kHz的傳感器。
圖2 ADXL50 MEMS加速度計結構的顯微圖 MEMS感測單元可以與同一芯片（見(jiàn)圖3）或者不同芯片上（見(jiàn)圖4）的信號調理電路相連。對于單芯片解決方案而言，感測單元的電容可以低至 1～2fF，相當于aF范圍的量測分辨率。在雙芯片結構中，MEMS單元的電容必須足夠高，以便能夠克服MEMS與ASIC調理電路之間連接線(xiàn)的寄生電容效應。
圖3 ADXL202 ±2g加速度計
圖4 典型雙芯片加速度計的橫截面圖 作為震動(dòng)測量傳感器的加速度計 使用震動(dòng)感測傳感器作為樂(lè )器中的拾音器，這并不是一個(gè)新的概念。壓電式以及電磁式傳感器是目前許多拾音器應用的基礎。微型MEMS加速度計的尺寸小、外形薄，因此不會(huì )在樂(lè )器中產(chǎn)生機械或質(zhì)量負荷效應，這使得它們對于這些應用極具吸引力；但是由于商用加速度傳感器的帶寬極低，這類(lèi)加速度計的應用到目前為止一直都受到限制。 加速度計技術(shù)方面的一些最新突破性進(jìn)展使得具有非常高帶寬但又非常小的加速度計實(shí)現了量產(chǎn)。ADI公司采用5mm×5mm×2mm封裝尺寸的ADXL001（見(jiàn)圖5）高g（±70～±500g）單軸加速度計的帶寬就已經(jīng)達到22kHz。這款產(chǎn)品可以通過(guò)檢測設備聲學(xué)特性的變化來(lái)確定電機或其他工業(yè)設備的“健康”狀況。不過(guò)，這種特殊傳感器要用作樂(lè )器的聲學(xué)震動(dòng)傳感器還不夠靈敏。理想的聲學(xué)傳感器需要測量所有3個(gè)軸向上的響應，而它卻只能感應單軸運動(dòng)。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現全音頻帶寬內的加速度傳感器。
圖5 ADXL001的頻率響應曲線(xiàn) 低g加速度計可以測量低至千分之一g級的加速度，但帶寬一般被限制在5kHz左右。這一限制的原因可能是需要很高帶寬的商業(yè)應用太少（主要的應用包括人的運動(dòng)或者重力引起的加速度檢測），故業(yè)界缺乏足夠的動(dòng)力去開(kāi)發(fā)特別適用于音頻頻段測量的傳感器。 三軸加速度計具有三個(gè)獨立的輸出，能夠測量沿笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸方向的加速度。舉例來(lái)說(shuō)，ADI公司的ADXL330三軸低g加速度計在X軸以及Y軸上具有高達6kHz的帶寬，而在Z軸上的帶寬約為1kHz。雖然還不夠理想，但這個(gè)帶寬已經(jīng)使得該器件可以獲取音頻頻段上的有用信息。其輸出為模擬信號，故很容易用于標準的錄音設備。由于其尺寸小于4mm×4mm×1.45mm（見(jiàn)圖6），因此該傳感器可以放入極小的空間中，在響應被測系統時(shí)不會(huì )產(chǎn)生質(zhì)量負荷或者其他改變。下面將介紹這款低g加速度計如何用作吉他的拾音器。
圖6 ADXL330 MEMS加速度計 聲反饋 丹麥科學(xué)家Soren Larsen在上世紀20年代中期首次引入了全向電容式動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)，是他最早發(fā)現了聲反饋原理（稱(chēng)為L(cháng)arsen效應）。對聲學(xué)工程師來(lái)說(shuō)，聲反饋一直都是一個(gè)噩夢(mèng)，很少有工程師能夠完全控制它，特別是在任何演出現場(chǎng)都不可避免。甲殼蟲(chóng)樂(lè )隊充分感受到了這種偽聲的影響，繼而在1964年決定將其添加到他們經(jīng)典的專(zhuān)輯“I Feel Fine”的序曲中。隨后搖滾樂(lè )界也開(kāi)始像馴服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂(lè )中增添了令人耳目一新的特色。而電吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，則故意地把吉他靠近揚聲器來(lái)利用聲反饋。隨著(zhù)這種風(fēng)潮的消退，聲學(xué)工程師繼續努力消除聲反饋所引起的令人不適的聽(tīng)覺(jué)效果，特別是在現場(chǎng)演出過(guò)程中。在設備齊全并經(jīng)過(guò)特殊聲學(xué)處理的錄音棚里，利用全向麥克風(fēng)可以完美地錄制樂(lè )器聲音，幾乎達到驚人的現場(chǎng)感和保真度。理解并珍惜這一點(diǎn)的藝術(shù)家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現在舞臺上。雖然希望能夠以錄音棚一樣的質(zhì)量來(lái)錄制現場(chǎng)演出一直都是音樂(lè )人的夢(mèng)想，但這幾乎是不可能的。即使在舞臺上采用最好的音響設備，舞臺也經(jīng)過(guò)了極佳的聲學(xué)設計，聲音工程師也能精通地利用各種混響并可以擁有最佳的設備和工具，但要獲得理想的音效仍然存在著(zhù)一道難以逾越的障礙：那就是聲反饋。 拾音器 通過(guò)采用方向性麥克風(fēng)通�？梢园崖暦答仠p到最小。某種程度上這種方法是有效的，不過(guò)需要調音工程師不停地調節，來(lái)適應舞臺瞬息萬(wàn)變的特點(diǎn)。 利用拾音器可以對樂(lè )器聲音進(jìn)行放大。所采用的各種技術(shù)具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂(lè )器本身的震動(dòng)，而并非感測空中的聲波。這種做法的優(yōu)點(diǎn)很明顯，即拾音器幾乎不會(huì )產(chǎn)生聲反饋，原因是它們對空氣中傳遞的聲波不敏感。但這種方法也有許多不足：包括要在樂(lè )器上找到最佳的發(fā)聲位置是極其困難的，壓電拾音器的聲學(xué)特性也遠遠算不上完美，它們的輸出阻抗為高阻，故需要特殊的樂(lè )器輸入或直駁盒。此外，體積也較大，會(huì )影響樂(lè )器本身的自然聲學(xué)特性。 于是，這催生了輕質(zhì)接觸式麥克風(fēng)的概念。假如我們采用一個(gè)表面式傳感器來(lái)測量樂(lè )器本體的加速度，最好是具有單軸以上功能。這種傳感器具有更好的線(xiàn)性度，重量輕，從而不會(huì )影響被測樂(lè )器的聲音特性。還可以進(jìn)一步假定這些傳感器具有類(lèi)似的輸出電平、輸出阻抗，以及功率需求與傳統麥克風(fēng)相當。簡(jiǎn)言之，就是設想音樂(lè )人只需將該傳感器插入到麥克風(fēng)前置放大器或混音器輸入的位置，就像任何其他麥克風(fēng)一樣。 接觸式麥克風(fēng) 用心的讀者一定會(huì )注意到我們在前面已經(jīng)提到了加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設計成聲壓感測功能。為了簡(jiǎn)化討論，這里直接給出一個(gè)結論，即一個(gè)靠近震動(dòng)體的聲壓與加速度成正比。問(wèn)題是加速度計具有多高的帶寬方可用作接觸式麥克風(fēng)？ 為了研究清楚這個(gè)概念，我們將一個(gè)三軸加速度計貼裝到吉他上作為一個(gè)拾音器。對樂(lè )器的震動(dòng)進(jìn)行測量，并與內置的壓電拾音器以及靠近吉他的 MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行比較。所用的吉他為Fender Stratacoustic，帶有內置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路上貼裝了一個(gè)模擬輸出的MEMS加速度計，并用蜂蠟將其貼裝到吉他的琴橋位置，如圖7所示。加速度計的X軸與吉他弦線(xiàn)的方向一致，Y軸與吉他弦線(xiàn)垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。把一個(gè)平坦頻率響應達到15kHz的MEMS麥克風(fēng)貼裝到距弦線(xiàn)3英寸遠的位置作為參考。 利用該加速度計、內置的壓電拾音器和MEMS麥克風(fēng)各自錄制了一段聲音。圖8給出了每個(gè)傳感器的時(shí)域波形，這里沒(méi)有對任何音段進(jìn)行后處理。
圖7 貼裝在Fender Stratacoustic吉他上的加速度計
圖8 采用不同傳感器的時(shí)域波形 圖9所示為在上述時(shí)域波形的一個(gè)波峰上所測得的壓電拾音器的FFT頻譜。結果顯示響應中具有較強的低音分量。確實(shí)，實(shí)際的音頻文件中都較多地具有豐富的低音響應。這種聲音比較悅耳（還取決于個(gè)人偏好），因為腔體諧振能夠產(chǎn)生比從樂(lè )器上直接聽(tīng)到的更豐富的低音。
圖9 壓電拾音器的FFT頻譜 MEMS麥克風(fēng)的輸出則非常平坦，樂(lè )聲的重現效果非常好。其音質(zhì)非常自然，均衡較好，逼真度高。與壓電拾音器相同時(shí)間點(diǎn)上測得的FFT頻譜如圖10A所示。作為參考，圖10B則給出了MEMS麥克風(fēng)的頻率響應。
圖10A MEMS麥克風(fēng)的FFT頻譜
圖10B MEMS麥克風(fēng)的頻率響應 MEMS加速度計的輸出非常有意思。目前其缺點(diǎn)包括本底噪聲過(guò)高，在音軌的開(kāi)始和末尾都能聽(tīng)到，且Z軸帶寬明顯限制到較低的頻率。每個(gè)軸向上的聲音再現也明顯不同。 X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調上有可分辨出的明顯差異。正如預期，Z軸上的聲音明顯地主要為低音。圖11給出了X軸（A）、Y軸（B）以及Z軸上的頻譜（C）。
圖11a MEMS加速度計X軸輸出
圖11b MEMS加速度計Y軸輸出
圖11c MEMS加速度計Z軸輸出 如果將X、Y和Z軸混合到一起，即可實(shí)現樂(lè )聲的較好重現，具有一定的明晰度。通過(guò)對混音環(huán)節進(jìn)行調節，可以實(shí)現音調平衡變化，達到自然的樂(lè )聲重現。由于目前加速度計的帶寬限制，更大范圍的高頻諧波丟失了，但聲音重現仍然驚人地逼真。 結語(yǔ) MEMS加速度計技術(shù)在樂(lè )器的拾音應用方面具有明顯的潛力，特別是那些為聲反饋問(wèn)題困擾的現場(chǎng)應用。一個(gè)體積非常小、低功耗的MEMS器件可以貼裝到樂(lè )器上任何不顯眼的位置，而且不會(huì )影響樂(lè )器的自然震動(dòng)特性。 |
