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作者：ADI公司 Rob O’Reilly Alex Khenkin Kieran Harney 日期：2009-9-7 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器在汽車、手機(jī)、個(gè)人電腦、相機(jī)等各種應(yīng)用中屢見(jiàn)不鮮，但是直到現(xiàn)在，這類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(jì)作為聲學(xué)傳感器。 MEMS加速度計(jì)技術(shù) 典型的MEMS加速度計(jì)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(jié)構(gòu)：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(jù)所施加的力產(chǎn)生移動(dòng)，改變固定柵條與移動(dòng)?xùn)艞l之間的電容（見(jiàn)圖1）。 
圖1 MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu) MEMS結(jié)構(gòu)（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(jī)械特性差異很大的結(jié)構(gòu)。彈簧剛度、感測(cè)元件的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)阻尼都可以通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制和改變，從而實(shí)現(xiàn)可感應(yīng)從零點(diǎn)幾個(gè)g到數(shù)百個(gè)g的帶寬高達(dá)20kHz的傳感器。
圖2 ADXL50 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的顯微圖 MEMS感測(cè)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(hào)調(diào)理電路相連。對(duì)于單芯片解決方案而言，感測(cè)單元的電容可以低至 1～2fF，相當(dāng)于aF范圍的量測(cè)分辨率。在雙芯片結(jié)構(gòu)中，MEMS單元的電容必須足夠高，以便能夠克服MEMS與ASIC調(diào)理電路之間連接線的寄生電容效應(yīng)。
圖3 ADXL202 ±2g加速度計(jì)
圖4 典型雙芯片加速度計(jì)的橫截面圖 作為震動(dòng)測(cè)量傳感器的加速度計(jì) 使用震動(dòng)感測(cè)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(yīng)用的基礎(chǔ)。微型MEMS加速度計(jì)的尺寸小、外形薄，因此不會(huì)在樂(lè)器中產(chǎn)生機(jī)械或質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)，這使得它們對(duì)于這些應(yīng)用極具吸引力；但是由于商用加速度傳感器的帶寬極低，這類加速度計(jì)的應(yīng)用到目前為止一直都受到限制。 加速度計(jì)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(jì)實(shí)現(xiàn)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(jì)的帶寬就已經(jīng)達(dá)到22kHz。這款產(chǎn)品可以通過(guò)檢測(cè)設(shè)備聲學(xué)特性的變化來(lái)確定電機(jī)或其他工業(yè)設(shè)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(cè)量所有3個(gè)軸向上的響應(yīng)，而它卻只能感應(yīng)單軸運(yùn)動(dòng)。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全音頻帶寬內(nèi)的加速度傳感器。
圖5 ADXL001的頻率響應(yīng)曲線 低g加速度計(jì)可以測(cè)量低至千分之一g級(jí)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(yīng)用太少（主要的應(yīng)用包括人的運(yùn)動(dòng)或者重力引起的加速度檢測(cè)），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(cè)量的傳感器。 三軸加速度計(jì)具有三個(gè)獨(dú)立的輸出，能夠測(cè)量沿笛卡兒坐標(biāo)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(jì)在X軸以及Y軸上具有高達(dá)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(hào)，故很容易用于標(biāo)準(zhǔn)的錄音設(shè)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(yīng)被測(cè)系統(tǒng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量負(fù)荷或者其他改變。下面將介紹這款低g加速度計(jì)如何用作吉他的拾音器。
圖6 ADXL330 MEMS加速度計(jì) 聲反饋 丹麥科學(xué)家Soren Larsen在上世紀(jì)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(xiàn)了聲反饋原理（稱為L(zhǎng)arsen效應(yīng)）。對(duì)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(xiàn)場(chǎng)都不可避免。甲殼蟲(chóng)樂(lè)隊(duì)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(yáng)聲器來(lái)利用聲反饋。隨著這種風(fēng)潮的消退，聲學(xué)工程師繼續(xù)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(xiàn)場(chǎng)演出過(guò)程中。在設(shè)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(dá)到驚人的現(xiàn)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(xiàn)在舞臺(tái)上。雖然希望能夠以錄音棚一樣的質(zhì)量來(lái)錄制現(xiàn)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(tái)上采用最好的音響設(shè)備，舞臺(tái)也經(jīng)過(guò)了極佳的聲學(xué)設(shè)計(jì)，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(shè)備和工具，但要獲得理想的音效仍然存在著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)通常可以把聲反饋減到最小。某種程度上這種方法是有效的，不過(guò)需要調(diào)音工程師不停地調(diào)節(jié)，來(lái)適應(yīng)舞臺(tái)瞬息萬(wàn)變的特點(diǎn)。 利用拾音器可以對(duì)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(yīng)樂(lè)器本身的震動(dòng)，而并非感測(cè)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)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性度，重量輕，從而不會(huì)影響被測(cè)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似的輸出電平、輸出阻抗，以及功率需求與傳統(tǒng)麥克風(fēng)相當(dāng)。簡(jiǎn)言之，就是設(shè)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?cè)谇懊嬉呀?jīng)提到了加速度的概念。人耳響應(yīng)的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設(shè)計(jì)成聲壓感測(cè)功能。為了簡(jiǎn)化討論，這里直接給出一個(gè)結(jié)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(jì)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(jì)貼裝到吉他上作為一個(gè)拾音器。對(duì)樂(lè)器的震動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并與內(nèi)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(nèi)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(jì)，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(jì)的X軸與吉他弦線的方向一致，Y軸與吉他弦線垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。把一個(gè)平坦頻率響應(yīng)達(dá)到15kHz的MEMS麥克風(fēng)貼裝到距弦線3英寸遠(yuǎn)的位置作為參考。 利用該加速度計(jì)、內(nèi)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(duì)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(jì)
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(cè)得的壓電拾音器的FFT頻譜。結(jié)果顯示響應(yīng)中具有較強(qiáng)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(yīng)。這種聲音比較悅耳（還取決于個(gè)人偏好），因?yàn)榍惑w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(xiàn)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(cè)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(yīng)。
圖10A MEMS麥克風(fēng)的FFT頻譜
圖10B MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng) MEMS加速度計(jì)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(xiàn)也明顯不同。 X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調(diào)上有可分辨出的明顯差異。正如預(yù)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(jì)X軸輸出
圖11b MEMS加速度計(jì)Y軸輸出
圖11c MEMS加速度計(jì)Z軸輸出 如果將X、Y和Z軸混合到一起，即可實(shí)現(xiàn)樂(lè)聲的較好重現(xiàn)，具有一定的明晰度。通過(guò)對(duì)混音環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)音調(diào)平衡變化，達(dá)到自然的樂(lè)聲重現(xiàn)。由于目前加速度計(jì)的帶寬限制，更大范圍的高頻諧波丟失了，但聲音重現(xiàn)仍然驚人地逼真。 結(jié)語(yǔ) MEMS加速度計(jì)技術(shù)在樂(lè)器的拾音應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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。 |
