Введение в массивы микрофона MEMS
MEMS, или микроэлектромеханические системы-это крошечные устройства, которые объединяют электрические и механические детали на микроскопическом уровне от нескольких микрометров до миллиметров.Эти системы используют датчики, приводы и микроэлектроники для создания небольших, сложных устройств с помощью технологии микропространства.В основе технологии MEMS лежит способность интегрировать механические элементы, такие как шестерни, пружины и петли с электронными схемами на одном кремниевом чипе.Из -за этой интеграции устройства MEMS могут чувствовать, контролировать и действовать по микро -масштабе при общении по макроспалу.В этой статье рассматривается основная роль MEMS в различных областях, от потребительской электроники до здравоохранения.Устройства MEMS изменили традиционные технологии с инновациями, такими как массивы микрофона MEMS, используемые в автомобилях и телекоммуникационных системах.
Каталог
Рисунок 1: MEMS (микроэлектромеханические системы)
Роль MEMS в современных технологиях
Технология MEMS является спросом во многих отраслях, потому что она гибкая, малая, энергоэффективная и экономичная.Вот как MEMS используются в современных технологиях:
Потребительская электроника
MEMS полезны в потребительской электронике, позволяя таким функциям, как зондирование движения и стабилизация изображения в таких устройствах, как смартфоны, планшеты и игровые приставки.Общие устройства MEMS в этой области включают гироскопы и акселерометры.
Автомобильная промышленность
В автомобильном секторе MEMS повышает как безопасность, так и функциональность.Они используются в датчиках подушки безопасности, систем контроля давления в шинах и в системах управления стабильностью транспортных средств, что способствует повышению безопасности и производительности.
Здравоохранение
Технология MEMS преобразует медицинские устройства.Примеры включают в себя лабораторные устройства для диагностики, имплантируемые системы доставки лекарств и передовые хирургические инструменты, которые обеспечивают минимально инвазивные процедуры.
Промышленные применения
В промышленных средах датчики MEMS контролируют такие условия, как температура, давление и вибрация.Этот мониторинг поддерживает прогнозное обслуживание и повышает эффективность системы.
Телекоммуникации
MEMS улучшает системы связи за счет улучшения устройств, таких как оптические переключатели и переменные конденсаторы, хорошо для управления маршрутизацией сигнала и производительности сети.
Мониторинг окружающей среды
Датчики на основе MEMS контролируют условия окружающей среды, включая качество воздуха и воды, и обнаруживают опасные газы.Их небольшой размер и эффективность делают их подходящими для развертывания в разнообразных и часто отдаленных местах.
Рисунок 2: устройство MEMS
Композиция и работа микрофонных массивов MEMS
Ниже мы углубимся в структуру, методы обработки звука и методы комбинации сигналов массивов микрофона MEMS.
Описание структуры массива
Микрофонные массивы MEMS состоят из нескольких микрофонов, расположенных для совместной работы.Каждый микрофон представляет собой крошечное устройство с механическими и электронными компонентами, изготовленным с использованием методов производства полупроводников.Эти микрофоны превращают звук в электрические сигналы.
Конфигурация массива может варьироваться, расположенная в такими узорами, как линейные, круглые или плоские формирования.Эта настройка влияет на направленность и чувствительность массива, позволяя ему захватывать звук с определенных направлений, игнорируя других.Комбинированный электрический выход из этих массивов обрабатывается для формирования единого высококачественного аудиосигнала.
Рисунок 3: Система микрофона MEMS
Как массивы обрабатывают звук
Обработка звука в массивах микрофона MEMS включает усиление, задержку и фильтрацию сигналов от отдельных микрофонов.Каждый шаг служит определенной цели:
• Усиление повышает слабые сигналы от микрофонов, что делает их достаточно сильными для дальнейшей обработки.
• Задержка синхронизирует звуки, захватываемые различными микрофонами в разное время из -за их физического разделения.Эта синхронизация подходит для точной локализации звука и формирования луча.
• Фильтрация усиливает определенные частоты при подавлении других, в зависимости от желаемого вывода.Например, он может удалить высокочастотный шум или повысить частоты, важные для ясности речи.
Рисунок 4: Массивы и цифровой звук
Технический процесс объединения сигналов
Сочетание сигналов в массивах микрофона MEMS - это сложный процесс, направленный на улучшение желаемых звуков при одновременном снижении фонового шума, известного как формирование луча.Формирование луча использует расположение микрофона и дифференциальное время (задержка) звуковых волн, чтобы сосредоточить чувствительность массива на интересующем источнике звука, минимизируя помехи от нежелательного шума.
Этот процесс включает в себя расчет веса для выхода каждого микрофона, определяя, насколько каждый сигнал должен способствовать конечному выходу.Веса регулируются на основе направления звуковых волн и акустической среды.Комбинируя эти взвешенные сигналы, массив создает направленную фокус, который усиливает захват звука с определенных направлений, одновременно уменьшая помехи.
Созданные методы обработки сигналов, такие как адаптивная фильтрация, динамически регулируют параметры обработки в ответ на изменения в звуковой среде.Эта адаптируемость позволяет массивам микрофона MEMS поддерживать оптимальную производительность в различных условиях, от тихих студий до шумных наружных сред.
Рисунок 5: MEMS -микрофонные массивы
Важность отношения сигнал / шум (SNR)
Соотношение сигнал / шум (SNR) является важной мерой в аудиотехнологии.Он сравнивает уровень желаемого сигнала с уровнем фонового шума, выраженный в децибелах (DB).Более высокий SNR означает более четкий аудиосигнал с меньшим шумом, в то время как более низкий SNR указывает больше фонового шума, который ухудшает качество звука.
SNR используется для многих аудиоустройств, от смартфонов и наушников до профессионального записывающего оборудования.В высококачественных аудиосистемах высокий SNR означает, что аудиовыход очень близок к исходной записи, с минимальным фоновым шумом.Это полезно в студиях звукозаписи, потому что небольшие шумы могут сильно повлиять на качество звука.
В системах связи SNR требуется для ясности.Например, в шумной среде устройство с плохим SNR будет производить неясное аудио, что затрудняет понимание пользователей.Следовательно, поддержание высокого SNR является основной целью в разработке и разработке аудиологических технологий.
Рисунок 6: отношение сигнал / шум (SNR)
Как микрофонные массивы MEMS улучшают SNR за счет снижения нежелательного шума
Формирование луча
Микрофонные массивы MEMS усиливают SNR через формирование луча.Этот методик процессов сигналов из нескольких микрофонов для создания сфокусированного направленного отклика.Понимая звук из определенного направления и минимизируя шум из других направлений, формирование луча эффективна в настройках, где источник звука является фиксированным и известным, как в интеллектуальных динамиках и системах конференций.
Шумоподавление
Другим методом улучшения SNR является шумовая отмена.Сравнивая аудиосигналы из разных микрофонов в массиве, система может обнаружить и аннулировать нежелательный шум, тем самым повышая ясность желаемого сигнала.Эта функция полезна в потребительской электронике, часто используемой в шумных общественных местах.
Пространственная фильтрация
Микрофонные массивы MEMS также преуспевают в пространственной фильтрации, которая изолирует звуки из разных мест.Это не только уменьшает фоновый шум, но и улучшает общее качество захвата звука.Такие возможности делают массивы MEMS идеальным для сложных акустических сред.
Широкие микрофонные массивы
Широко -микрофонные матрицы расположены в одном или двух измерениях, перпендикулярно источнику звука.Эта установка эффективна в средах с предсказуемыми направлениями звука, что позволяет системе сосредоточиться на звуках спереди, игнорируя боковой шум.Физическое расположение гарантирует, что все микрофоны получают звук от предполагаемого направления одновременно, что приводит к конструктивному суммированию сигнала.Однако звуки, поступающие из других направлений, испытывают расхождения фазы из -за различного времени прибытия, что приводит к более слабым суммированию и снижению производства.Эта конфигурация идеально подходит для таких устройств, как компьютерные мониторы или экраны телевизора, улучшая слуховой опыт, сосредотачиваясь на звуках непосредственно из области отображения.
Рисунок 7: Широко -микрофонные массивы
Microphone Microphone Micrays
Microphone Microphone Endfire позиционируют микрофоны линейно вдоль направления звука.Эта установка использует преимущества естественных задержек в распространении звука, причем каждый микрофон захватывает звук с слегка заложенными интервалами.Эти задержки регулируются в электронном виде, чтобы синхронизировать сигналы, улучшая суммирование желаемых звуков.Matry Marrys отлично подходит для изоляции звуков спереди, уменьшая звуки из других направлений, включая заднюю часть.Эта направленная фокус делает их подходящими для портативных устройств, таких как микрофоны, используемые в публичных выступлениях или выступлениях, где они могут нацелиться на конкретные источники звука и изолировать их от окружающего шума.
Рисунок 8: Массивы микрофона с широкими микрофонами против матриц микрофона Endfire
Рабочие принципы матриц микрофона MEMS
Микрофона MEMS (микроэлектромеханические системы)-это усовершенствованные устройства, объединяющие технологию микропродажи с звуковой техникой для захвата и обработки звука с высокой точностью.Эти массивы работают на основе нескольких основных функций: захват звука, обработка сигналов и снижение шума.
Захват звука через несколько микрофонов
Массивы микрофона MEMS используют несколько пространственно распределенных микрофонов для образца акустической среды.Каждый микрофон преобразует звуковые волны в электрические сигналы, позволяя системе собирать звук с разных направлений.Эта настройка повышает точность массива в обнаружении происхождения и характеристик звуков.Пространственное распределение требуется для захвата более широких задач звукового поля, таких как локализация звука и формирование луча.Формирование луча направляет чувствительность массива к определенному источнику звука, подавляя другие.
Цифровая обработка сигнала (DSP)
После захвата звука электрические сигналы из каждого микрофона обрабатываются системой DSP.Эта система является вычислительным центром массивов микрофона MEMS, где анализируются необработанные данные.Алгоритмы DSP синтезируют сигналы из нескольких микрофонов, чтобы создать сплоченную звуковую карту.Последовав по времени каждый сигнал, система может точно определить направление и траекторию звука через пространство.
Рисунок 9: Диаграмма цифровой обработки сигналов.
Фильтрация шума и улучшение звука
DSP также повышает качество звука за счет фильтрации фонового шума и уточнения желаемого звука.Такие методы, как подавление шума, отмена эха и контроль усиления, используются для улучшения верности аудио.Эти процессы лучше всего подходят для приложений, требующих четкого воспроизведения звука, таких как системы телеконференций, слуховые аппараты и голосовые помощники смартфонов.
MEMS -микрофоны типы
Рисунок 10: MEMS Omnidectional Microphone
Всенаправленный микрофон
MEMS Omnidirectional Microphones равномерно захватывает звук со всех сторон.Это отличает их от направленных микрофонов, которые фокусируются на звуке с определенных направлений.MEMS Omnidirectional Microphones используют крошечные диафрагмы, сделанные с помощью технологии MEMS.Эти диафрагмы обнаруживают звуковые волны из любого направления и делают микрофоны очень адаптируемыми.Их небольшой размер и последовательная производительность позволяют легко интегрировать в различные устройства.
Эти микрофоны преуспевают в настройках, где источники звука движутся или поступают с нескольких направлений.Например, в конференц -зале люди могут говорить с любого направления вокруг стола.Основной микрофон обеспечивает четкий захват голоса, усиление связи и записи.
Устройства Smart Home, такие как активируемые голосовыми помощниками, должны забрать команды из любой точки комнаты.Точно так же системы безопасности полагаются на эти микрофоны для обнаружения звуков, которые вызывают оповещения, извлекая выгоду из их комплексного захвата звука.
Рисунок 11: Микрофон направления MEMS
Направленный микрофон
Микро-электромеханические системы (MEMS) Направленные микрофоны важны для улучшения ясности звука, сосредоточив внимание на звуках с определенных направлений и минимизации нежелательного шума.Эта технология использует массив крошечных микрофонов, которые работают вместе, чтобы повысить чувствительность к целевой области.Этот подход полезен в телекоммуникациях и слуховых аппаратах.
В телекоммуникациях MEMS направленные микрофоны изолируют и усиливают звук с определенных направлений, обеспечивая четкие разговоры, несмотря на окружающий шум.Это функционально в шумных местах, таких как оживленные улицы или переполненные офисы.Сосредоточив внимание на голосе динамика и вырезании фонового шума, эти микрофоны предлагают более четкий и более понятный звук, улучшая пользовательский опыт.
Усовершенствованные слуховые аппараты используют эти микрофоны, чтобы сосредоточиться на основном источнике звука, с которым сталкивается пользователь, адаптируясь к изменениям в слуховой среде для поддержания оптимальной производительности.
Микрофоны MEMS также включают сложные алгоритмы обработки сигналов.Эти алгоритмы анализируют звук под различными углами и избирательно усиливают звуковые волны с желаемого направления.Эта передовая технология не только повышает производительность микрофона, но и позволяет интегрировать в более мелкие устройства, которые подходят для миниатюрных гаджетов, таких как смартфоны и слуховые аппараты.
Преимущества
Как всенаправленные, так и направленные микрофоны MEMS предлагают уникальные преимущества для различных ситуаций.Направленные микрофоны превосходят в шумных средах, выделяя основной источник звука, повышая производительность слухового аппарата.Омнидиральные микрофоны лучше для тихих настроек, захватывая звук с разных направлений, что делает их подходящими для систем мониторинга.Современные слуховые аппараты часто объединяют оба типа, что позволяет выполнять ручные или автоматические корректировки, чтобы адаптироваться к различным звукам окружающей среды.
Особенности цифровых микрофонов MEMS
Цифровые микрофоны MEMS доставляют данные в формате модуляции импульсной плотности ½ цикла (PDM), требуя синхронизации между входом часов (CLK) и линией вывода данных (данные).Одна линия данных используется между двумя микрофонами, обозначенная как «левый» или «справа», установив входной штифт L/R на VDD или заземление.Эти устройства питаются либо на 1,8 В, либо 3,3 В.
В операции «левый» микрофон записывает данные о восходящем краю CLK и «правом» на падении.Если правый микрофон не удастся или отсутствует, левый микрофон продолжает записывать данные о поднимающем краю и переключается на высокий импеданс на падении края.Это заставляет линию данных отражать только выход левого микрофона, что приводит к ошибке, поскольку DSP получает идентичные данные для обоих каналов.Чтобы избежать этих проблем, нам нужно тщательное тестирование.Частота такта, от нескольких сотен кГц до 3 МГц, влияет на энергопотребление и качество звука.Короткие кабельные расстояния помогают поддерживать целостность цифрового сигнала и минимизировать потери из-за длинных кабелей с высокой капитализацией.
Многочисленные микрофоны MEMS
Использование нескольких микрофонов MEMS в устройствах улучшает возможности захвата звука.Несколько микрофонов, работающих вместе, усиливают отношение сигнал / шум (SNR), для поддержания высокого качества звука в шумных средах, таких как автомобили или во время мобильных вызовов.Мультимикрофонные настройки поддерживают расширенные функции, такие как формирование луча.
Интеграция нескольких микрофонов MEMS также вызывает проблемы тестирования и валидации.Инженеры должны провести многоканальные измерения, чтобы обеспечить выравнивание фазы и синхронизацию в матрице микрофона.Чтобы улучшить аудиовыход, алгоритмы DSP требуют точного тестирования.Строгие процессы и передовое испытательное оборудование обеспечивают надежно работать эти системы и производить высококачественный звук.
Заключение
Технология MEMS является основной частью современных инноваций, улучшая качество и функцию многих систем.Например, микрофоны MEMS улучшают аудио в потребительской электронике и повышают безопасность в автомобилях.Эти устройства улучшают ясность сигнала, обеспечивают высококачественный звук и сокращают шум.Создание цифровых микрофонов MEMS показывает, как эта технология развивается для удовлетворения потребностей современных устройств с точностью, эффективностью и надежностью.Поскольку технология MEMS продолжает продвигаться, она будет по -прежнему важна для улучшения как текущих, так и будущих технологий.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
1. Является ли массив микрофона реальным микрофоном?
Да, микрофона - это действительно набор фактических микрофонов.Он состоит из нескольких микрофона, размещенных для захвата звука в разных направлениях.Эта конфигурация позволяет массиву выполнять сложные задачи обработки звука, такие как снижение шума и направленность, повышая качество захвата звука по сравнению с одним микрофоном.
2. В чем разница между стерео миксом и массивом микрофона?
Термины «стерео микс» и «массив микрофона» относятся к различным аспектам обработки звука.Stereo Mix - это функция на звуковой карте компьютера, которая объединяет все аудио входы и выходы в одну стереотезированную дорожку, позволяющую одновременно записывать или транслировать комбинированный звук из различных источников.С другой стороны, массив микрофона включает в себя несколько микрофонов, работающих вместе для записи аудио, часто используемого для захвата информации о пространственном звуке и улучшения качества звука, изолируя источник звука из фонового шума.
3. Аналогом MEMS микрофон или цифровой?
MEMS (микроэлектромеханические системы) микрофоны могут быть аналоговыми или цифровыми.Тип зависит от выходного формата звукового сигнала, который они производят.Аналоговые микрофоны MEMS Вывод аудиосигналы в виде аналоговых волн, требующих дополнительной схемы для преобразования в цифровые сигналы.Цифровые микрофоны MEMS, однако, включают в себя интегрированную схему, которая преобразует звук непосредственно в цифровой сигнал, упрощая соединение с цифровыми устройствами.
4. Как проверить мой микрофон MEMS?
Тестирование микрофона MEMS включает в себя несколько этапов, чтобы убедиться, что он работает правильно:
Проверка подключения: сначала убедитесь, что микрофон правильно подключен к вашему устройству тестирования (как компьютер или анализатор).
Визуальный осмотр: проверьте любой физический ущерб, который может повлиять на производительность.
Звуковой тест: используйте стандартный источник звука или выберите в микрофон, чтобы проверить четкость и громкость.Программные инструменты или специальные аудио -тестирование могут помочь проанализировать качество звука и обнаружить такие проблемы, как искажение или шум.
Функциональные тесты: используйте диагностическое программное обеспечение для запуска функциональных тестов, которые проверяют ответ микрофона на разных частотах и уровнях звука.
5. Каково напряжение микрофона MEMS?
Операционное напряжение микрофонов MEMS колеблется от 1,5 до 3,6 вольт, в зависимости от конкретной модели и производителя.Важно ссылаться на техническую таблицу данных конкретной модели микрофона MEMS, которую вы используете, чтобы подтвердить правильное рабочее напряжение и убедиться, что она соответствует спецификациям источника питания вашего приложения.