MEMS加速度計在聲學拾音器中的應用介紹

　　在樂器中利用振動感應傳感器進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拾音應用的基礎。由于微型的MEMS加速度計體積和質量都很小，不會對樂器產生機械或質量載荷方面的影響，從而在這些應用中頗具吸引力。不過迄今為止，由于商用加速度傳感器的帶寬較窄，其應用還比較有限。

　　加速度計技術方面的一些最新突破性進展成就了具有非常高帶寬但又非常小的加速度計的量產。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(jiān)測振動的理想選擇，可以通過檢測設備聲學特性的變化來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，利用一個貼附在系統(tǒng)基座上的高g振動傳感器，就可以檢測到一個位于音頻范圍內的清晰振動信號。這種用來測量高達10g量級的特殊傳感器，顯然要用作為樂器的聲學振動傳感器是不夠靈敏的。理想的聲學傳感器需要測量所有3個軸向上的響應，而它卻只能感應單軸運動。然而目前已經證明，采用MEMS技術已經能夠實現全音頻帶寬內的加速度傳感器。

　　圖5：ADXL001的頻率響應曲線。

　　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或者重力引起的加速檢測)，故缺乏開發(fā)特別適用于音頻頻段測量的傳感器的動力。

　　一個3軸加速度計有3個獨立的輸出，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(tǒng)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，但這個帶寬已經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(tǒng)加速度計技術來說簡直是不可思議的地方。其體積非常小，不會引起被測系統(tǒng)中質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。

　　聲音反饋問題

　　丹麥科學家Soren Larsen在上世紀20年代9中期首次引入了全向電容式動態(tài)麥克風，是他最早發(fā)現了聲音反饋原理(稱為Larsen效應)。對聲學工程師來說，聲音反饋一直都是一個噩夢，很少有工程師能夠完全控制它，特別是在任何演出現場都不可避免。甲殼蟲樂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輯“我感覺很好”的介紹曲中。隨后Rock ‘n’ Roll也開始像馴服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂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利用聲音反饋。隨著這種風潮的消退，音頻工程師繼續(xù)努力消除聲音反饋所引起的令人不適的聽覺效果，特別是在現場演出過程中。在完美設計并經過特殊聲學處理的試音室里，利用全向麥克風可以完美地錄制樂器聲，幾乎達到驚人的現場感和保真度。理解并珍惜這一點的藝術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量來錄制現場演出一直都是音樂家的夢想，然而實際上這卻是不可能的。即使在舞臺上采用最好的音響設備，舞臺也經過了極佳的聲學設計，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難以逾越的障礙：那就是聲音反饋。

　　聲學拾音

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

　　利用拾音器可以對樂器聲音進行放大。所采用的各種技術具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂器本身的振動，而并非檢測空中它所產生的聲波。這種做法的優(yōu)點很明顯：即拾音器幾乎不會產生聲音反饋，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：包括要在樂器上找到最佳的發(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，故需要特殊的樂器輸入或直駁盒(direct boxes)。此外，體積也較大，從而會影響樂器本身的自然聲學特性。

　　于是，這些問題導致了低質量接觸式麥克風的概念。假如我們采用一個表面式傳感器來測量樂器本體的加速度，這要比單軸更合適。11這種傳感器具有更好的線性度，重量輕，從而不會影響被測樂器的聲音特性。還可以進一步假定這些傳感器具有類似的輸出電平、輸出阻抗，以及所需功率與傳統(tǒng)麥克風相當。簡言之，就是設想能夠使樂師將該傳感器插入到麥克風前置放大器或混音器輸入的位置，12就像任何其他麥克風一樣。

　　接觸式麥克風

　　我們在前面已經提到過加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風也被設計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結論，即一個靠近振動體的聲壓與加速度成正比。問題是加速度計具有多高的帶寬方可用作為接觸式麥克風?

　　為了研究清楚這個概念，將一個3軸加速度計安裝到吉他上作為一個拾音器。對樂器的振動進行測量，并與內置的壓電拾音器以及靠近吉他的MEMS麥克風進行比較。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(具有刻蝕導線的聚酰亞胺)上貼裝了一個模擬輸出的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。把一個平坦頻率響應達到15kHz的MEMS麥克風安裝到距弦線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。