MEMS加速度计在声学拾音器中的应用介绍

学工程师来说，声音反馈一直都是一个噩梦，很少有工程师能够完全控制它，特别是在任何演出现场都不可避免。甲壳虫乐队充分感受到了这种伪声的影响，继而在196410年决定将其添加到他们难忘的专辑“我感觉很好”的介绍曲中。随后Rock ‘n’ Roll也开始像驯服野兽一样利用它，利用声音反馈在摇滚乐中增添了令人耳目一新的特色。而电吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，则故意地把吉他靠近扬声器来利用声音反溃随着这种风潮的消退，音频工程师继续努力消除声音反馈所引起的令人不适的听觉效果，特别是在现场演出过程中。在完美设计并经过特殊声学处理的试音室里，利用全向麦克风可以完美地录制乐器声，几乎达到惊人的现场感和保真度。理解并珍惜这一点的艺术家一直都在孜孜不倦地寻求如何能够把这种效果重现在舞台上。虽然希望能够以演播室一样的质量来录制现场演出一直都是音乐家的梦想，然而实际上这却是不可能的。即使在舞台上采用最好的音响设备，舞台也经过了极佳的声学设计，声音工程师也能精通地利用各种混响并可以拥有最佳的设备和工具，但要获得理想的音效仍然存在着难以逾越的障碍：那就是声音反溃

声学拾音

通常通过采用定向麦克风可以把声音反馈减到最小。某种程度上这是可以的，不过需要调音工程师不停地调节，来适应舞台特性的不断变化。

利用拾音器可以对乐器声音进行放大。所采用的各种技术具有一定差异，但基本的原理都是直接感应乐器本身的振动，而并非检测空中它所产生的声波。这种做法的优点很明显：即拾音器几乎不会产生声音反馈，原因是它们对空气中传递的声波不敏感。但这种方法也有许多缺点：包括要在乐器上找到最佳的发声位置是极其困难的，压电拾音器的声学特性也远远算不上完美，它们的输出阻抗为高阻，故需要特殊的乐器输入或直驳盒(direct boxes)。此外，体积也较大，从而会影响乐器本身的自然声学特性。

于是，这些问题导致了低质量接触式麦克风的概念。假如我们采用一个表面式传感器来测量乐器本体的加速度，这要比单轴更合适。11这种传感器具有更好的线性度，重量轻，从而不会影响被测乐器的声音特性。还可以进一步假定这些传感器具有类似的输出电平、输出阻抗，以及所需功率与传统麦克风相当。简言之，就是设想能够使乐师将该传感器插入到麦克风前置放大器或混音器输入的位置，12就像任何其他麦克风一样。

接触式麦克风

我们在前面已经提到过加速度的概念。人耳响应的是声压，故麦克风也被设计成声压感测功能。为了简化讨论，这里直接给出一个结论，即一个靠近振动体的声压与加速度成正比。问题是加速度计具有多高的带宽方可用作为接触式麦克风?

为了研究清楚这个概念，将一个3轴加速度计安装到吉他上作为一个拾音器。对乐器的振动进行测量，并与内置的压电拾音器以及靠近吉他的MEMS麦克风进行比较。所用的吉他为Fender Stratacoustic，带有内置的Fender拾音器。在重量很轻的柔性电路(具有刻蚀导线的聚酰亚胺)上贴装了一个模拟输出的MEMS加速度计，并用蜂蜡将其贴装到吉他的琴桥位置，如图7所示。加速度计的X轴与吉他弦线的方向一致，Y轴与吉他弦线垂直，而Z轴则与吉他表面垂直。把一个平坦频率响应达到15kHz的MEMS麦克风安装到距弦线3英寸远的位置作为参考。

图7：安装到Fender Stratacoustic吉它上的加速度计。

利用该加速度计、内置的压电拾音器和MEMS麦克风各自录制了一段声音。图8给出了每个传感器的时域波形，这里没有对任何音段进行后处理。

图8：采用不同传感器的时域波形。

图9所示为在上述时域波形的一个峰值上所测得的压电拾音器的FFT频谱。结果显示响应中具有较强的低音分量。确实，实际的音频文档中都较多地具有许多低音响应。这种声音比较悦耳(还取决于个人偏好)，因为腔体谐振能够产生比从乐器上直接听到的更丰富的低音。

图9：压电拾音器的频谱。

MEMS麦克风的输出则非常平坦，乐声的重现效果非常好。其音质非常自然，均衡较好，逼真度高。与压电拾音器相同时间点上测得的FFT频谱如图10(a)所示。作为参考，图10(b)给出了MEMS麦克风的频率响应。

图10(a)：MEMS麦克风的频谱。

图10(b)：MEMS麦克风的频率响应。
MEMS加速度计的输出非常有意思。目前其缺点包括噪声基底过高，在音轨的开始和末尾都能听到，且Z轴带宽明显限制到较低的频率。每个轴向上的声音再现也显著不同。

X轴和Y轴上的声音明快而清晰，声调上有可分辨出的明显差异。正如预期，Z轴上的声音明显地主要为低音。图11中(a)、(b)、(c)分别给出了X、Y、Z轴上