基于MEMS麦克风高带宽加速度计的声学性能设计

作者：Jay Esfandyari，Royce Higashi     MEMS麦克风可捕获空气中的宽带宽声波，体积小，信噪比高，灵敏度高，频率响应平坦，并具有高声学过载点。尽管这些麦克风非常出色，但可以通过来自专用加速度计的数据进一步提高音频质量，该加速度计可以通过固体材料捕获小于 2kHz 的低频振动。
当使用加速度计测量由空气和骨传导刺激引起的颅骨振动时，这一点尤其重要［1，2］，这可用于检测由说话者的声音引起的颅骨振动。加速度计不受空气传播的噪声影响。本文回顾了这种音频加速度计的主要规格，介绍了其性能数据，并介绍了融合MEMS麦克风和音频加速度计的工作原理，以及这种组合如何帮助在加速度计频率范围内获得更好的音频质量。
虽然音频加速度计和标准加速度计具有相同的基本工作原理，但音频加速度计具有为语音/声音应用量身定制的特定功能。它具有更高的采样和输出数据速率（8kHz/16kHz/24kHz），以匹配大多数数字音频系统，并利用时分多路复用（TDM）接口代替I2C进行数据传输。
设备描述,加速度计可捕获高达2.4KHz的振动信号，使用具有降噪功能的MEMS麦克风，可以显着提高耳戴式设备或智能手机的音频质量。加速度计中嵌入的自检功能消除了对每个产品PCB进行机械测试的需要［3］。
与传统加速度计不同，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 总线是音频系统的通用多时隙数据传输接口，存在于某些加速度计上。它允许多个数据帧共享单个数字接口［4］。图1显示了使用微处理器/DSP和外部振荡器的典型TDM时钟生成。加速度计是仅次级TDM器件。它依靠处理器来生成TDM时钟信号。
图 1：通用微处理器/DSP 配置示例。
设备性能,您可以使用距离扬声器中心 6 英寸的参考麦克风测试加速度计的音频性能，该麦克风与加速度计直接安装在扬声器锥体的外部支撑环上。然后，扬声器输出可以设置为-6dBFS（114dbSPL），由该参考麦克风测量。通过录音软件捕获加速度计输出，并使用音频精度的环回功能进行分析，可以提供参考麦克风和加速度计的总谐波失真 （THD） 比的详细信息。结果如表1所示。
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。
收集的数据显示，加速度计的失真性能与参考麦克风相当。本实验中分析的信号包括功率放大器和扬声器的失真分量，以及麦克风/加速度计。图 2 显示了加速度计输出的快速傅里叶变换，其中对传感器施加了 500Hz 的激励。
图 2：500Hz 振动测试结果。
图3显示了加速度计在无激励情况下的噪声性能。图3a是X轴噪声曲线，图3b是Z轴噪声曲线。为简洁起见，我们省略了 Y 轴噪声曲线，因为它类似于 X 轴曲线。另一方面，与X/Y轴相比，由于传感元件的差异，Z轴轮廓是不同的。
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,音频加速度计可提高麦克风在一系列应用中的性能，包括头戴式耳机/耳机、能够识别和放大低音量声音的智能扬声器、声控设备、骨传导耳机、需要波束成形的应用和语音增强应用。
这些结果表明，设计人员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，融合可以提高手机在通话期间的性能，可以通过声控设备提高准确性，可以提供更好的在线游戏体验，并且可以减少视频通话期间的键盘噪音。
图 4 和图 5 说明了加速度计和 MEMS 麦克风融合的主要应用，它可以降低耳戴式设备或耳机中的风噪声。风噪声通常低于 1kHz，具有随机频谱，因此很难在不影响整体音频质量的情况下消除该噪声。传统的非机械风噪降低需要滤波，同时也会衰减您想听到的声音的音频内容。我们提出的麦克风/加速度计融合利用加速度计的抗风噪能力来保持音频保真度。
图4显示了麦克风和加速度计的示例信号链及算法。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，从而产生高质量的宽带宽音频。这种方法可以显著提高多风环境中的音频质量。虽然仅麦克风输出中的音频信号以风噪声分量为主，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。
图 4：麦克风和加速度计信号链示例。
图 5：音频信号的预处理和后处理。
结论,将具有高级规格和功能的加速度计与麦克风相结合，可以帮助系统设计人员提高其系统的音质。与传统加速度计相比，音频加速度计具有 2.4kHz 的带宽、数字音频兼容的输出数据速率和 TDM 接口，可轻松与常见的数字音频系统集成。
其价值的关键在于加速度计对环境噪声源的抗扰度，它为风噪等问题提供了解决方案，并提高了音频质量，而没有传统技术的缺点。