利用MEMS高带宽音频加速度计获得更好的声学性能

[导读]MEM麦克风是一种小型的、具有高灵敏度的高信噪比,具有较高的声过载点。尽管这些麦克风很好,但通过专用的加速度计能够通过固体材料捕捉不到2KKZ的低频振动,可以进一步提高音频质量。

MEM麦克风是一种小型的、具有高灵敏度的高信噪比,具有较高的声过载点。尽管这些麦克风很好,但通过专用的加速度计能够通过固体材料捕捉不到2KKZ的低频振动,可以进一步提高音频质量。

这在使用加速计来测量空气和骨骼诱导刺激引起的头骨的振动(1,2)时尤为重要,因为它可以用来检测说话者声音引起的头骨的振动。加速度计对空气中的声音噪声是免疫的.本文综述了这种音频加速度计的主要规格,介绍了其性能数据,并描述了融合MEMS麦克风和音频加速度计的工作原理,以及这种组合如何能够帮助提高加速度计频率范围的音频质量。

音频加速度计和标准加速度计具有相同的基本操作原理,而音频加速度计则具有适合语音/声音应用的具体特点。它具有较高的采样和输出数据速率,即8khz/16khz/24khz,以匹配大多数数字音频系统,并利用分时多路复用接口而不是I2c进行数据传输。

设备描述

加速度计可以捕捉到2.4khz的振动信号,它可以显著地提高使用MEMS麦克风和消除噪音功能的耳机的音频质量。嵌入在加速度计中的自我测试功能消除了对每一个产品电路板进行机械测试的需要[3]。

与传统的加速度计不同的是,您需要一个利用TDM接口来传输加速度计数据的加速度计。TDM总线是一种通用的多功能数据传输接口,用于某些加速度计上的音频系统。它允许多个数据框架共享一个单一的数字接口[4]。图1描述了一个典型的TDM时钟生成使用微处理器/DSP和一个外部振荡器。该加速度计是一种仅限于二级的TDM装置。它依靠处理器生成TDM时钟信号。

图1:普通微处理器/DSP配置示例。

设备性能

你可以使用一个位于扬声器中心6英寸处的参考麦克风测试加速度计的音频性能,加速度计与它直接安装在扬声器锥的外部支持环上。然后,扬声器输出可以设置为-6dbsf(114dbspl)由参考麦克风测量。通过记录软件捕捉加速度计的输出,并利用音频精度的绕回函数进行分析,提供了参考麦克风和加速度计的总谐波失真(TDH)比的细节。结果见表1。

表1:参考麦克风和加速度计在不同频率下的总谐波失真比。

所收集的数据表明,加速度计的变形性能与参考麦克风相当。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显示了加速度计输出的快速傅里叶变换,并对传感器进行了500赫兹的刺激。

图2:振动测试结果500赫兹。

图3显示了加速度计无刺激的噪声性能。图3A是x轴噪声轮廓,图3B是z轴噪声轮廓。为了简洁起见,我们略去了y轴的噪声分布图,因为它与x轴分布图相似。另一方面,由于传感元件与X/Y轴的差异,Z轴的轮廓是不同的。

图3A:加速度计x轴噪声密度。

图3b:加速度计z轴噪声密度。

加速度计和麦克风融合

音频加速度计提高了麦克风在各种应用中的性能,包括耳机/耳机、能够识别和放大低音量声音的智能扬声器、声控设备、骨感应耳机、需要光束形成的应用以及语音增强应用。

这些结果表明,设计者可以融合来自加速度计和麦克风的数据,以实现出色的音频系统性能。例如,这种融合可以提高手机通话时的性能,通过声控设备提高准确性,提供更好的在线游戏体验,并在视频通话中减少键盘噪音。

图4和图5展示了加速度计和MEMS麦克风融合的主要应用,它可以在可听或耳机中减少风的噪音。风噪声通常在1KZ以下,带有随机频谱,因此很难在不影响整体音频质量的情况下消除风噪声。传统的非机械型风噪声减少要求过滤,它也会减弱你想要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风噪声免疫来保持音频的真实性。

图4展示了麦克风、加速度计和算法的示例信号链。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,产生了高质量的宽带音频。这一方法大大提高了刮风环境下的音频质量。尽管在微电话输出中的音频信号主要由风噪声组件控制,但麦克风和加速度计解决方案消除了风噪声,因此它只输出所需的音频。