Een inleiding tot MEMS -microfoonarrays
MEMS, of micro-elektromechanische systemen zijn kleine apparaten die elektrische en mechanische delen op microscopisch niveau combineren, variërend van enkele micrometers tot millimeters.Deze systemen gebruiken sensoren, actuatoren en micro -elektronica om kleine, complexe apparaten te creëren via microfabricatietechnologie.In het hart van MEMS is technologie het vermogen om mechanische elementen zoals versnellingen, veren en scharnieren te integreren met elektronische circuits op een enkele siliciumchip.Vanwege deze integratie kunnen MEMS -apparaten op microschaal worden detecteren, beheersen en activeren terwijl ze op macroschaal communiceren.Dit artikel onderzoekt de belangrijkste rol van MEMS op verschillende gebieden, van consumentenelektronica tot gezondheidszorg.MEMS -apparaten veranderden traditionele technologieën met innovaties zoals MEMS -microfoonarrays die worden gebruikt in auto's en telecomsystemen.
Catalogus
Figuur 1: MEMS (micro -elektromechanische systemen) microfoonarrays
Rol van MEMS in moderne technologie
MEMS-technologie is vraag in veel industrieën omdat het flexibel, klein, energiezuinig en kosteneffectief is.Hier is hoe MEM's worden gebruikt in moderne technologie:
Consumentenelektronica
MEMS zijn nuttig in consumentenelektronica, waardoor functies zoals bewegingsdetectie en beeldstabilisatie mogelijk zijn in apparaten zoals smartphones, tablets en gameconsoles.Gemeenschappelijke MEMS -apparaten op dit gebied zijn gyroscopen en versnellingsmeters.
Auto -industrie
In de autosector verbeteren MEMS zowel veiligheid als functionaliteit.Ze worden gebruikt in airbagsensoren, bandendrukbewakingssystemen en voertuigstabiliteitscontrolesystemen, wat bijdragen aan verbeterde veiligheid en prestaties.
Gezondheidszorg
MEMS -technologie transformeert medische hulpmiddelen.Voorbeelden zijn lab-on-a-chip apparaten voor diagnostiek, implanteerbare systemen voor medicijnafgifte en geavanceerde chirurgische hulpmiddelen die minimaal invasieve procedures mogelijk maken.
Industriële toepassingen
In industriële omgevingen controleren MEMS -sensoren omstandigheden zoals temperatuur, druk en trillingen.Deze monitoring ondersteunt voorspellend onderhoud en verhoogt de systeemefficiëntie.
Telecommunicatie
MEMS verbeteren communicatiesystemen door apparaten zoals optische schakelaars en variabele condensatoren te verbeteren, goed voor het beheren van signaalroutering en netwerkprestaties.
Milieumonitoring
MEMS-gebaseerde sensoren bewaken omgevingscondities, inclusief lucht- en waterkwaliteit, en detecteren gevaarlijke gassen.Hun kleine omvang en efficiëntie maken ze geschikt voor implementatie op verschillende en vaak afgelegen locaties.
Figuur 2: MEMS -apparaat
Samenstelling en werking van MEMS -microfoonarrays
Hieronder duiken we in de structuur, geluidsverwerkingsmethoden en signaalcombinatietechnieken van MEMS -microfoonarrays.
Beschrijving van de arraystructuur
MEMS -microfoonarrays bestaan uit meerdere microfoons die zijn geplaatst om samen te werken.Elke microfoon is een klein apparaat met mechanische en elektronische componenten, gemaakt met behulp van halfgeleiderproductietechnieken.Deze microfoons zetten geluid om in elektrische signalen.
De configuratie van de array kan variëren, gerangschikt in patronen zoals lineaire, cirkelvormige of vlakke formaties.Deze opstelling beïnvloedt de directionaliteit en gevoeligheid van de array, waardoor het geluid van specifieke richtingen kan vastleggen terwijl ze anderen negeren.De gecombineerde elektrische uitgang van deze arrays wordt verwerkt om een enkel hoogwaardig audiosignaal te vormen.
Figuur 3: MEMS Microfoon Array System
Hoe arrays verwerkt geluid
Geluidsverwerking in MEMS -microfoonarrays omvat het versterken, vertragen en filteren van de signalen van individuele microfoons.Elke stap dient een specifiek doel:
• Versterking verhoogt de zwakke signalen van de microfoons, waardoor ze sterk genoeg zijn voor verdere verwerking.
• Het vertragen van de geluiden van de geluiden die op verschillende tijdstippen worden vastgelegd door verschillende microfoons vanwege hun fysieke scheiding.Deze synchronisatie goed voor nauwkeurige geluidslokalisatie en beamforming.
• Filtering verbetert bepaalde frequenties en onderdrukt andere, afhankelijk van de gewenste uitgang.Het kan bijvoorbeeld hoogfrequente ruis verwijderen of frequenties stimuleren die belangrijk zijn voor spraakduidelijkheid.
Afbeelding 4: Arrays en Digital Sound
Het technische proces van het combineren van signalen
Het combineren van signalen in MEMS -microfoonarrays is een geavanceerd proces gericht op het verbeteren van de gewenste geluiden, terwijl achtergrondruis wordt verminderd, bekend als beamforming.Beamforming maakt gebruik van de microfoonopstelling en de differentiële timing (vertraging) van geluidsgolven om de gevoeligheid van de array op de geluidsbron van interesse te concentreren, waardoor interferentie door ongewenste ruis wordt geminimaliseerd.
Dit proces omvat het berekenen van gewichten voor de output van elke microfoon en bepaalt hoeveel elk signaal moet bijdragen aan de uiteindelijke uitgang.De gewichten passen zich aan op basis van de richting van de geluidsgolven en de akoestische omgeving.Door deze gewogen signalen te combineren, creëert de array een directionele focus die de geluidsopvang van specifieke richtingen verbetert en tegelijkertijd de interferentie vermindert.
Geavanceerde signaalverwerkingstechnieken zoals adaptieve filtering passen de verwerkingsparameters dynamisch aan in reactie op veranderingen in de geluidsomgeving.Dit aanpassingsvermogen stelt MEMS -microfoonarrays in staat om optimale prestaties in verschillende instellingen te behouden, van stille studio's tot lawaaierige buitenomgevingen.
Figuur 5: MEMS -microfoonarrays
Belang van signaal-ruisverhouding (SNR)
Signaal-ruisverhouding (SNR) is een belangrijke maatstaf in de audiotechnologie.Het vergelijkt het niveau van het gewenste signaal met het niveau van achtergrondruis, uitgedrukt in decibel (DB).Een hogere SNR betekent een duidelijker audiosignaal met minder ruis, terwijl een lagere SNR meer achtergrondruis aangeeft, wat de audiokwaliteit verslechtert.
SNR gebruikt voor veel audio -apparaten, van smartphones en hoofdtelefoon tot professionele opnameapparatuur.In hoogwaardige audiosystemen betekent een hoge SNR dat de audio-uitgang zeer dicht bij de oorspronkelijke opname ligt, met minimale achtergrondruis.Dit is handig in opnamestudio's omdat kleine geluiden de audiokwaliteit sterk kunnen beïnvloeden.
In communicatiesystemen vereist SNR voor de duidelijkheid.In een lawaaierige omgeving zal een apparaat met een slechte SNR bijvoorbeeld onduidelijk audio produceren, waardoor het voor gebruikers moeilijk is om elkaar te begrijpen.Daarom is het handhaven van een hoge SNR een hoofddoel bij het ontwerpen en ontwikkelen van audiotechnologieën.
Figuur 6: Signaal-ruisverhouding (SNR)
Hoe MEMS -microfoonarrays SNR verbeteren door ongewenste ruis te verminderen
Straalvorming
MEMS -microfoonarrays verbeteren SNR door beamforming.Deze techniek verwerkt signalen van meerdere microfoons om een gerichte, directionele reactie te creëren.Door geluid uit een specifieke richting vast te leggen en ruis uit andere richtingen te minimaliseren, is beamforming effectief in instellingen waar de geluidsbron is vastgesteld en bekend, zoals in slimme luidsprekers en conferentiesystemen.
Ruisonderdrukking
Een andere methode voor het verbeteren van SNR is ruisonderdrukking.Door audiosignalen van verschillende microfoons binnen de array te vergelijken, kan het systeem ongewenste ruis detecteren en teniet doen, waardoor de duidelijkheid van het gewenste signaal wordt verbeterd.Deze functie is handig in consumentenelektronica die vaak in lawaaierige openbare ruimtes wordt gebruikt.
Ruimtelijke filtering
MEMS -microfoonarrays blinken ook uit in ruimtelijke filtering, die geluiden van verschillende locaties isoleert.Dit vermindert niet alleen achtergrondruis, maar verbetert ook de algehele kwaliteit van de audio -opname.Dergelijke mogelijkheden maken MEMS -arrays ideaal voor complexe akoestische omgevingen.
Broadside microfoonarrays
Broadside microfoonarrays zijn gerangschikt in een of twee dimensies, loodrecht op de geluidsbron.Deze opstelling is effectief in omgevingen met voorspelbare geluidsrichtingen, waardoor het systeem zich kan concentreren op geluiden aan de voorkant en tegelijkertijd laterale ruis kan negeren.De fysieke opstelling zorgt ervoor dat alle microfoons gelijktijdig geluid uit de beoogde richting ontvangen, wat leidt tot constructieve signaalsomatie.Geluiden die uit andere richtingen komen, ervaren echter faseverschillen vanwege verschillende aankomsttijden, wat resulteert in een zwakkere sommatie en verminderde output.Deze configuratie is ideaal voor apparaten zoals computermonitors of tv -schermen, waardoor de auditieve ervaring wordt verbeterd door zich te concentreren op geluiden rechtstreeks vanuit het weergavegebied.
Figuur 7: Breedside microfoonarrays
Endfire microfoon arrays
Endfire Microfoon Arrays Position Microfoons lineair in de richting van het geluid.Deze opstelling maakt gebruik van de natuurlijke vertragingen in geluidspropagatie, waarbij elke microfoon het geluid vastlegt met enigszins vertraagde intervallen.Deze vertragingen worden elektronisch aangepast om de signalen te synchroniseren, waardoor de sommatie van de gewenste geluiden wordt verbeterd.Endfire -arrays zijn uitstekend in het isoleren van geluiden van de voorkant en het verminderen van geluiden vanuit andere richtingen, waaronder de achterkant.Deze directionele focus maakt ze geschikt voor handheld -apparaten zoals microfoons die worden gebruikt in het spreken in het openbaar of uitvoeringen, waar ze zich kunnen richten op specifieke geluidsbronnen en deze kunnen isoleren van omgevingsgeluid.
Figuur 8: Breedside microfoonarrays versus eindfire -microfoonarrays
Werkprincipes van MEMS -microfoonarrays
MEMS (micro-elektromechanische systemen) Microfoonarrays zijn geavanceerde apparaten die microfabricatietechnologie combineren met geluidstechniek om audio te vangen en te verwerken met hoge precisie.Deze arrays werken op basis van verschillende kernfunctionaliteiten: geluidsopvang, signaalverwerking en ruisreductie.
Geluidsopname door meerdere microfoons
MEMS -microfoonarrays gebruiken meerdere ruimtelijk verdeelde microfoons om de akoestische omgeving te bemonsteren.Elke microfoon zet geluidsgolven om in elektrische signalen, waardoor het systeem audio uit verschillende richtingen kan verzamelen.Deze opstelling verbetert de nauwkeurigheid van de array bij het detecteren van de oorsprong en kenmerken van geluiden.De ruimtelijke verdeling vereist om een bredere geluidsveldtaken vast te leggen, zoals geluidslokalisatie en bundelvorming.Beamforming richt de gevoeligheid van de array over een specifieke geluidsbron en onderdrukt anderen.
Digitale signaalverwerking (DSP)
Na het vastleggen van geluid worden de elektrische signalen van elke microfoon verwerkt door een DSP -systeem.Dit systeem is het computationele centrum van MEMS -microfoonarrays, waarbij onbewerkte gegevens worden geanalyseerd.DSP -algoritmen synthetiseren signalen van meerdere microfoons om een samenhangende geluidskaart te maken.Het tijdstempel elk signaal, het systeem kan de richting en het traject van het geluid door de ruimte nauwkeurig bepalen.
Figuur 9: Digitaal signaalverwerkingsblokdiagram
Ruisfiltering en geluidsverbetering
De DSP verbetert ook de audiokwaliteit door achtergrondruis uit te filteren en het gewenste geluid te verduidelijken.Technieken zoals ruisonderdrukking, echo -annulering en winstcontrole worden gebruikt om audiotideliteit te verbeteren.Deze processen zijn het beste voor toepassingen die een duidelijke geluidsreproductie vereisen, zoals teleconferentiesystemen, hoortoestellen en spraakassistenten voor smartphones.
MEMS Microfoons -typen
Figuur 10: MEMS omnidirectionele microfoon
Omnidirectionele microfoon
MEMS omnidirectionele microfoons legt geluid uniform van alle richtingen vast.Dit onderscheidt hen van directionele microfoons, die zich richten op geluid uit specifieke richtingen.MEMS omnidirectionele microfoons gebruiken kleine diafragma's gemaakt met MEMS -technologie.Deze diafragma's detecteren geluidsgolven in elke richting en maken de microfoons zeer aanpasbaar.Hun kleine formaat en consistente prestaties zorgen voor eenvoudige integratie in verschillende apparaten.
Deze microfoons blinken uit in instellingen waar geluidsbronnen bewegen of uit meerdere richtingen komen.In een vergaderruimte kunnen mensen bijvoorbeeld vanuit elke richting rond de tafel spreken.De omnidirectionele microfoon zorgt voor duidelijke spraakopvang, het verbeteren van communicatie en opname.
Smart Home-apparaten, zoals spraakgestuurde assistenten, moeten opdrachten overal in de kamer ophalen.Evenzo vertrouwen beveiligingssystemen op deze microfoons om geluiden te detecteren die meldingen activeren, die profiteren van hun uitgebreide geluidsopname.
Figuur 11: MEMS Directional Microfoon
Directionele microfoon
Micro-electromechanische systemen (MEMS) Directionele microfoons zijn belangrijk voor het verbeteren van de audiocluitheid door zich te concentreren op geluiden uit specifieke richtingen en het minimaliseren van ongewenste ruis.Deze technologie maakt gebruik van een scala aan kleine microfoons die samenwerken om de gevoeligheid voor een gericht gebied te verbeteren.Deze aanpak is nuttig bij telecommunicatie en gehoorapparaten.
In telecommunicatie isoleren MEMS -directionele microfoons en versterken het geluid uit bepaalde richtingen en zorgen voor duidelijke gesprekken ondanks omgevingsgeluid.Dit is functioneel in lawaaierige plaatsen zoals drukke straten of drukke kantoren.Richt op de stem van de luidspreker en het snijden van achtergrondruis, deze microfoons bieden duidelijker en begrijpelijker audio, waardoor de gebruikerservaring wordt verbeterd.
Geavanceerde hoortoestellen gebruiken deze microfoons om zich te concentreren op de primaire geluidsbron waarmee de gebruiker wordt geconfronteerd, aanpassing aan veranderingen in de auditieve omgeving om optimale prestaties te behouden.
MEMS -directionele microfoons bevatten ook geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmen.Deze algoritmen analyseren geluid vanuit verschillende hoeken en versterken selectief geluidsgolven uit de gewenste richting.Deze geavanceerde technologie verbetert niet alleen de microfoonprestaties, maar zorgt ook voor integratie in kleinere apparaten die goed zijn voor geminiaturiseerde gadgets zoals smartphones en hoortoestellen.
Voordelen
Zowel omnidirectionele als directionele MEMS -microfoons bieden unieke voordelen voor verschillende situaties.Directionele microfoons blinken uit in lawaaierige omgevingen door de belangrijkste geluidsbron te isoleren, de prestaties van het gehoorapparaat te verbeteren.Omnidirectionele microfoons zijn beter voor stille instellingen, het vastleggen van geluid uit meerdere richtingen, waardoor ze geschikt zijn voor monitoringsystemen.Moderne hoortoestellen combineren vaak beide typen, waardoor handmatige of automatische aanpassingen zich kunnen aanpassen aan verschillende omgevingsgeluiden.
Functies van digitale MEMS -microfoons
Digitale MEMS-microfoons leveren gegevens in een ½ cyclus-puls-dichtheid modulatie (PDM) -indeling, waarvoor synchronisatie vereist tussen een klokinvoer (CLK) en een gegevensuitvoer (data) lijn.Een enkele gegevenslijn wordt gedeeld tussen twee microfoons, aangeduid als "links" of "rechts" door de L/R -invoerpen op VDD of Ground in te stellen.Deze apparaten worden aangedreven door 1,8 V of 3,3 V -benodigdheden.
In werking schrijft de "linker" microfoon gegevens over de stijgende rand van de CLK en de "rechts" aan de dalende rand.Als de rechtermicrofoon faalt of afwezig is, blijft de linkermicrofoon gegevens over de stijgende rand schrijven en schakelt over naar hoge impedantie op de vallende randen.Hierdoor weerspiegelt de gegevenslijn alleen de uitvoer van de linker microfoon, wat resulteert in een fout omdat de DSP identieke gegevens voor beide kanalen ontvangt.Om deze problemen te voorkomen, hebben we grondig testen nodig.De klokfrequentie, variërend van een paar honderd kHz tot 3 MHz, beïnvloedt het stroomverbruik en de audiokwaliteit.Korte kabelafstanden helpen om de integriteit van de digitale signaal te behouden en verliezen te minimaliseren vanwege lange kabels met hoge capaciteit.
De meerdere MEMS -microfoons
Het gebruik van meerdere MEMS -microfoons in apparaten verbetert hun audio -opnamemogelijkheden.Verschillende microfoons die samenwerken, verbeteren de signaal-ruisverhouding (SNR), voor het handhaven van een hoge audiokwaliteit in lawaaierige omgevingen zoals auto's of tijdens mobiele oproepen.Multi-microfoonopstellingen ondersteunen geavanceerde functies zoals beamforming.
Het integreren van meerdere MEMS -microfoons brengt ook test- en validatie -uitdagingen met zich mee.Ingenieurs moeten multichannel -metingen uitvoeren om fase -uitlijning en synchronisatie over de microfoonarray te waarborgen.Om de audio -uitvoer te verbeteren, hebben DSP -algoritmen nauwkeurig testen nodig.Strikte processen en geavanceerde testapparatuur zorgen ervoor dat deze systemen op betrouwbare wijze werken en produceren van hoogwaardig geluid.
Conclusie
MEMS -technologie is een hoofddeel van moderne innovaties, waardoor de kwaliteit en functie van veel systemen wordt verbeterd.MEMS -microfoons verbeteren bijvoorbeeld audio in consumentenelektronica en stimuleert de veiligheid in auto's.Deze apparaten verbeteren de duidelijkheid van het signaal, leveren hoogwaardig geluid en verminderen ruis.Het creëren van digitale MEMS -microfoons laat zien hoe deze technologie evolueert om te voldoen aan de behoeften van de apparaten van vandaag met precisie, efficiëntie en betrouwbaarheid.Terwijl MEMS -technologie blijft vorderen, zal het belangrijk blijven om zowel de huidige als de toekomstige technologieën beter te maken.
Veelgestelde vragen [FAQ]
1. Is microfoonarray een echte microfoon?
Ja, een microfoonarray is inderdaad een verzameling werkelijke microfoons.Het bestaat uit meerdere microfooneenheden die worden geplaatst om geluid uit verschillende richtingen vast te leggen.Met deze configuratie kan de array complexe audioverwerkingstaken uitvoeren, zoals ruisreductie en directionaliteit, waardoor de kwaliteit van de geluidsopvang wordt verbeterd in vergelijking met een enkele microfoon.
2. Wat is het verschil tussen stereomix en microfoonarray?
De termen "stereo mix" en "microfoon array" verwijzen naar verschillende aspecten van geluidsbehandeling.Een stereomix is een functie op de geluidskaart van een computer die alle audio -ingangen en uitgangen in een enkel stereoportcombineert, zodat u de gecombineerde audio uit verschillende bronnen tegelijkertijd kunt opnemen of streamen.Aan de andere kant omvat een microfoonarray meerdere microfoons die samenwerken om audio op te nemen, vaak gebruikt om ruimtelijke geluidsinformatie vast te leggen en de geluidskwaliteit te verbeteren door de audiobron te isoleren van achtergrondruis.
3. Is MEMS -microfoon analoog of digitaal?
MEMS (micro -elektromechanische systemen) microfoons kunnen analoog of digitaal zijn.Het type hangt af van het uitgangsformaat van het audiosignaal dat ze produceren.Analoge MEMS -microfoons -uitvoeraudiosignalen als analoge golven, die extra circuits vereisen voor conversie naar digitale signalen.Digitale MEMS -microfoons bevatten echter een geïntegreerd circuit dat geluid rechtstreeks omzet in een digitaal signaal, waardoor de connectiviteit met digitale apparaten wordt vereenvoudigd.
4. Hoe test ik mijn MEMS -microfoon?
Het testen van een MEMS -microfoon omvat verschillende stappen om ervoor te zorgen dat deze correct functioneert:
Connectiviteitscontrole: zorg er eerst voor dat de microfoon correct is aangesloten op uw testapparaat (zoals een computer of analysator).
Visuele inspectie: controleer op fysieke schade die de prestaties kan beïnvloeden.
Geluidstest: gebruik een standaard geluidsbron of spreek in de microfoon om te controleren op duidelijkheid en volume.Software -tools of speciale audiotestapparaten kunnen helpen de geluidskwaliteit te analyseren en problemen zoals vervorming of ruis te detecteren.
Functionele tests: gebruik diagnostische software om functionele tests uit te voeren die de reactie van de microfoon over verschillende frequenties en geluidsniveaus controleren.
5. Wat is de spanning van een MEMS -microfoon?
De bedrijfsspanning van MEMS -microfoons varieert tussen 1,5 tot 3,6 volt, afhankelijk van het specifieke model en de fabrikant.Het is belangrijk om te verwijzen naar de technische datasheet van het specifieke MEMS -microfoonmodel dat u gebruikt om de juiste bedieningsspanning te bevestigen en ervoor te zorgen dat deze overeenkomt met de voedingspecificaties van uw applicatie.