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量。嵌入在加速度計中的自我測試功能消除了對每一個產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,產生了高質量的寬帶音頻。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量,而沒有傳統(tǒng)技術的缺點。