MEMS加速度計在聲學(xué)拾音器中的應(yīng)用

　　作為振動測量傳感器的加速度計

　　在樂器中利用振動感應(yīng)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(dāng)今許多聲學(xué)拾音應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于微型的MEMS加速度計體積和質(zhì)量都很小，不會對樂器產(chǎn)生機(jī)械或質(zhì)量載荷方面的影響，從而在這些應(yīng)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(yīng)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(dá)22kHz，是監(jiān)測振動的理想選擇，可以通過檢測設(shè)備聲學(xué)特性的變化來確定電機(jī)或其他工業(yè)設(shè)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(nèi)的清晰振動信號。這種用來測量高達(dá)10g量級的特殊傳感器，顯然要用作為樂器的聲學(xué)振動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個軸向上的響應(yīng)，而它卻只能感應(yīng)單軸運動。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全音頻帶寬內(nèi)的加速度傳感器。

　　圖5：ADXL001的頻率響應(yīng)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(yīng)用太少(主要的應(yīng)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(biāo)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(dá)6kHz，而在Z軸上為1kHz左右。雖然還不夠理想，但這個帶寬已經(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(biāo)準(zhǔn)的錄音設(shè)備。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的表貼封裝，充分利用了成熟的半導(dǎo)體工藝制造設(shè)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(shù)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(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(yīng)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(xué)家Soren Larsen在上世紀(jì)20年代9中期首次引入了全向電容式動態(tài)麥克風(fēng)，是他最早發(fā)現(xiàn)了聲音反饋原理(稱為Larsen效應(yīng))。對聲學(xué)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(xiàn)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(yáng)聲器來利用聲音反饋。隨著這種風(fēng)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(xiàn)場演出過程中。在完美設(shè)計并經(jīng)過特殊聲學(xué)處理的試音室里，利用全向麥克風(fēng)可以完美地錄制樂器聲，幾乎達(dá)到驚人的現(xiàn)場感和保真度。理解并珍惜這一點的藝術(shù)家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現(xiàn)在舞臺上。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來錄制現(xiàn)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(shè)備，舞臺也經(jīng)過了極佳的聲學(xué)設(shè)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(shè)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(xué)拾音

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

　　利用拾音器可以對樂器聲音進(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(yīng)樂器本身的振動，而并非檢測空中它所產(chǎn)生的聲波。這種做法的優(yōu)點很明顯：即拾音器幾乎不會產(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：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(xué)特性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)特性。

　　于是，這些問題導(dǎo)致了低質(zhì)量接觸式麥克風(fēng)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(jìn)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(fēng)相當(dāng)。簡言之，就是設(shè)想能夠使樂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)提到過加速度的概念。人耳響應(yīng)的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設(shè)計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結(jié)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(fēng)?

　　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(jìn)行測量，并與內(nèi)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(nèi)置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路(具有刻蝕導(dǎo)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(yīng)達(dá)到15kHz的MEMS麥克風(fēng)安裝到距弦線3英寸遠(yuǎn)的位置作為參考。

　　圖7：安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計。