基于MEMS麥克風高帶寬加速度計的聲學性能設計

　　作者：Jay Esfandyari，Royce Higashi

? ? ? MEMS麥克風可捕獲空氣中的寬帶寬聲波，體積小，信噪比高，靈敏度高，頻率響應平坦，并具有高聲學過載點。盡管這些麥克風非常出色，但可以通過來自專用加速度計的數據進一步提高音頻質量，該加速度計可以通過固體材料捕獲小于 2kHz 的低頻振動。

　　當使用加速度計測量由空氣和骨傳導刺激引起的顱骨振動時，這一點尤其重要［1，2］，這可用于檢測由說話者的聲音引起的顱骨振動。加速度計不受空氣傳播的噪聲影響。本文回顧了這種音頻加速度計的主要規格，介紹了其性能數據，并介紹了融合MEMS麥克風和音頻加速度計的工作原理，以及這種組合如何幫助在加速度計頻率范圍內獲得更好的音頻質量。

　　雖然音頻加速度計和標準加速度計具有相同的基本工作原理，但音頻加速度計具有為語音/聲音應用量身定制的特定功能。它具有更高的采樣和輸出數據速率（8kHz/16kHz/24kHz），以匹配大多數數字音頻系統，并利用時分多路復用（TDM）接口代替I2C進行數據傳輸。

　　設備描述

　　加速度計可捕獲高達2.4KHz的振動信號，使用具有降噪功能的MEMS麥克風，可以顯著提高耳戴式設備或智能手機的音頻質量。加速度計中嵌入的自檢功能消除了對每個產品PCB進行機械測試的需要［3］。

　　與傳統加速度計不同，您需要一個利用 TDM 接口來傳輸加速度計數據的加速度計。TDM 總線是音頻系統的通用多時隙數據傳輸接口，存在于某些加速度計上。它允許多個數據幀共享單個數字接口［4］。圖1顯示了使用微處理器/DSP和外部振蕩器的典型TDM時鐘生成。加速度計是僅次級TDM器件。它依靠處理器來生成TDM時鐘信號。

圖 1：通用微處理器/DSP 配置示例。

　　設備性能

　　您可以使用距離揚聲器中心 6 英寸的參考麥克風測試加速度計的音頻性能，該麥克風與加速度計直接安裝在揚聲器錐體的外部支撐環上。然后，揚聲器輸出可以設置為-6dBFS（114dbSPL），由該參考麥克風測量。通過錄音軟件捕獲加速度計輸出，并使用音頻精度的環回功能進行分析，可以提供參考麥克風和加速度計的總諧波失真 （THD） 比的詳細信息。結果如表1所示。

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。

　　收集的數據顯示，加速度計的失真性能與參考麥克風相當。本實驗中分析的信號包括功率放大器和揚聲器的失真分量，以及麥克風/加速度計。圖 2 顯示了加速度計輸出的快速傅里葉變換，其中對傳感器施加了 500Hz 的激勵。

圖 2：500Hz 振動測試結果。

　　圖3顯示了加速度計在無激勵情況下的噪聲性能。圖3a是X軸噪聲曲線，圖3b是Z軸噪聲曲線。為簡潔起見，我們省略了 Y 軸噪聲曲線，因為它類似于 X 軸曲線。另一方面，與X/Y軸相比，由于傳感元件的差異，Z軸輪廓是不同的。

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

　　音頻加速度計可提高麥克風在一系列應用中的性能，包括頭戴式耳機/耳機、能夠識別和放大低音量聲音的智能揚聲器、聲控設備、骨傳導耳機、需要波束成形的應用和語音增強應用。

　　這些結果表明，設計人員可以融合來自加速度計和麥克風的數據，以實現出色的音頻系統性能。例如，融合可以提高手機在通話期間的性能，可以通過聲控設備提高準確性，可以提供更好的在線游戲體驗，并且可以減少視頻通話期間的鍵盤噪音。

　　圖 4 和圖 5 說明了加速度計和 MEMS 麥克風融合的主要應用，它可以降低耳戴式設備或耳機中的風噪聲。風噪聲通常低于 1kHz，具有隨機頻譜，因此很難在不影響整體音頻質量的情況下消除該噪聲。傳統的非機械風噪降低需要濾波，同時也會衰減您想聽到的聲音的音頻內容。我們提出的麥克風/加速度計融合利用加速度計的抗風噪能力來保持音頻保真度。

　　圖4顯示了麥克風和加速度計的示例信號鏈及算法。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，從而產生高質量的寬帶寬音頻。這種方法可以顯著提高多風環境中的音頻質量。雖然僅麥克風輸出中的音頻信號以風噪聲分量為主，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：音頻信號的預處理和后處理。

　　結論

　　將具有高級規格和功能的加速度計與麥克風相結合，可以幫助系統設計人員提高其系統的音質。與傳統加速度計相比，音頻加速度計具有 2.4kHz 的帶寬、數字音頻兼容的輸出數據速率和 TDM 接口，可輕松與常見的數字音頻系統集成。

　　其價值的關鍵在于加速度計對環境噪聲源的抗擾度，它為風噪等問題提供了解決方案，并提高了音頻質量，而沒有傳統技術的缺點。

審核編輯：黃飛