MEMS加速度計在聲學(xué)拾音器中的應用介紹

　　在樂(lè )器中利用振動(dòng)感應傳感器進(jìn)行拾音的概念也并非新概念。6 壓電和電磁傳感器是當今許多聲學(xué)拾音應用的基礎。由于微型的MEMS加速度計體積和質(zhì)量都很小，不會(huì )對樂(lè )器產(chǎn)生機械或質(zhì)量載荷方面的影響，從而在這些應用中頗具吸引力。不過(guò)迄今為止，由于商用加速度傳感器的帶寬較窄，其應用還比較有限。

　　加速度計技術(shù)方面的一些最新突破性進(jìn)展成就了具有非常高帶寬但又非常小的加速度計的量產(chǎn)。采用5mm×5mm×2mm封裝的 ADXL0017(圖5)高g(±70g到±500g)單軸加速度計的帶寬已高達22kHz，是監測振動(dòng)的理想選擇，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。在軸承磨損的早期階段，利用一個(gè)貼附在系統基座上的高g振動(dòng)傳感器，就可以檢測到一個(gè)位于音頻范圍內的清晰振動(dòng)信號。這種用來(lái)測量高達10g量級的特殊傳感器，顯然要用作為樂(lè )器的聲學(xué)振動(dòng)傳感器是不夠靈敏的。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。實(shí)際上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檢測)，故缺乏開(kāi)發(fā)特別適用于音頻頻段測量的傳感器的動(dòng)力。

　　一個(gè)3軸加速度計有3個(gè)獨立的輸出，分別測量笛卡兒坐標中X、Y、Z軸上的加速度。 ADXL3308 3軸低g加速度計具有比傳統的低g加速度計更寬的有效帶寬，其帶寬在X和Y軸上高達6kHz，而在Z軸上為1kHz左右。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。該器件采用標準的表貼封裝，充分利用了成熟的半導體工藝制造設備。其封裝尺寸為4mm×4mm×1.45mm(圖6)，可以適用于對于傳統加速度計技術(shù)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是不可思議的地方。其體積非常小，不會(huì )引起被測系統中質(zhì)量載荷或者其他方面的改變。下面將介紹為何該低g加速度計可以用于吉他的聲學(xué)拾音應用。

　　圖6：MEMS加速度計，封裝尺寸為4mm× 4mm×1.45mm。

　　聲音反饋問(wèn)題

　　丹麥科學(xué)家Soren Larsen在上世紀20年代9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)現了聲音反饋原理(稱(chēng)為L(cháng)arsen效應)。對聲學(xué)工程師來(lái)說(shuō)，聲音反饋一直都是一個(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196410年決定將其添加到他們難忘的專(zhuān)輯“我感覺(jué)很好”的介紹曲中。隨后Rock ‘n’ Roll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)利用聲音反饋。隨著(zhù)這種風(fēng)潮的消退，音頻工程師繼續努力消除聲音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。在完美設計并經(jīng)過(guò)特殊聲學(xué)處理的試音室里，利用全向麥克風(fēng)可以完美地錄制樂(lè )器聲，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。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來(lái)錄制現場(chǎng)演出一直都是音樂(lè )家的夢(mèng)想，然而實(shí)際上這卻是不可能的。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)難以逾越的障礙：那就是聲音反饋。

　　聲學(xué)拾音

　　通常通過(guò)采用定向麥克風(fēng)可以把聲音反饋減到最小。某種程度上這是可以的，不過(guò)需要調音工程師不停地調節，來(lái)適應舞臺特性的不斷變化。

　　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 )器本身的振動(dòng)，而并非檢測空中它所產(chǎn)生的聲波。這種做法的優(yōu)點(diǎn)很明顯：即拾音器幾乎不會(huì )產(chǎn)生聲音反饋，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缺點(diǎn)：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(direct boxes)。此外，體積也較大，從而會(huì )影響樂(lè )器本身的自然聲學(xué)特性。

　　于是，這些問(wèn)題導致了低質(zhì)量接觸式麥克風(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，這要比單軸更合適。11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，以及所需功率與傳統麥克風(fēng)相當。簡(jiǎn)言之，就是設想能夠使樂(lè )師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，12就像任何其他麥克風(fēng)一樣。

　　接觸式麥克風(fēng)

　　我們在前面已經(jīng)提到過(guò)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)靠近振動(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為接觸式麥克風(fēng)?

　　為了研究清楚這個(gè)概念，將一個(gè)3軸加速度計安裝到吉他上作為一個(gè)拾音器。對樂(lè )器的振動(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(具有刻蝕導線(xiàn)的聚酰亞胺)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)安裝到距弦線(xiàn)3英寸遠的位置作為參考。

　　圖7：安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計。