En introduktion till MEMS -mikrofonuppsättningar
MEMS, eller mikroelektro-mekaniska system är små enheter som kombinerar elektriska och mekaniska delar på mikroskopisk nivå som sträcker sig från några mikrometer till millimeter.Dessa system använder sensorer, ställdon och mikroelektronik för att skapa små, komplexa enheter genom mikrofabriceringsteknik.I hjärtat av MEMS är teknik dess förmåga att integrera mekaniska element som växlar, fjädrar och gångjärn med elektroniska kretsar på ett enda kiselchip.På grund av denna integration kan MEMS -enheter avkänna, kontrollera och aktivera på mikroskala medan de kommunicerar på makroskala.Den här artikeln undersöker huvudrollen för MEMS inom olika områden, från konsumentelektronik till sjukvård.MEMS -enheter förändrade traditionella tekniker med innovationer som MEMS -mikrofonmatriser som används i bilar och telekomsystem.
Katalog
Bild 1: MEMS (mikroelektromekaniska system) mikrofonuppsättningar
MEMS -roll i modern teknik
MEMS-teknik är efterfrågan i många branscher eftersom den är flexibel, liten, energieffektiv och kostnadseffektiv.Så här används MEMS i modern teknik:
Konsumentelektronik
MEM: er är användbara i konsumentelektronik, vilket möjliggör funktioner som rörelseavkänning och bildstabilisering i enheter som smartphones, surfplattor och spelkonsoler.Vanliga MEMS -enheter i detta område inkluderar gyroskop och accelerometrar.
Bilindustri
Inom fordonssektorn förbättrar MEMS både säkerhet och funktionalitet.De används i airbag -sensorer, övervakningssystem för däcktryck och fordonsstabilitetskontroll, vilket bidrar till förbättrad säkerhet och prestanda.
Vård
MEMS Technology transformerar medicintekniska produkter.Exempel inkluderar lab-on-a-chip-enheter för diagnostik, implanterbara läkemedelsleveranssystem och avancerade kirurgiska verktyg som möjliggör minimalt invasiva procedurer.
Industrianvändning
I industriella miljöer övervakar MEMS -sensorer tillstånd som temperatur, tryck och vibrationer.Denna övervakning stöder prediktivt underhåll och ökar systemeffektiviteten.
Telekommunikation
MEMS förbättrar kommunikationssystemen genom att förbättra enheter som optiska switchar och variabla kondensatorer, bra för hantering av signalrutning och nätverksprestanda.
Miljöövervakning
MEMS-baserade sensorer övervakar miljöförhållanden, inklusive luft- och vattenkvalitet, och upptäcker farliga gaser.Deras lilla storlek och effektivitet gör dem lämpliga för utplacering på olika och ofta avlägsna platser.
Bild 2: MEMS -enhet
Komposition och drift av MEMS -mikrofonuppsättningar
Nedan går vi in i strukturen, ljudbehandlingsmetoder och signalkombinationstekniker för MEMS -mikrofonuppsättningar.
Beskrivning av matrisstrukturen
MEMS -mikrofonuppsättningar består av flera mikrofoner som är placerade för att arbeta tillsammans.Varje mikrofon är en liten anordning med mekaniska och elektroniska komponenter, tillverkade med hjälp av halvledartillverkningstekniker.Dessa mikrofoner omvandlar ljud till elektriska signaler.
Arrayens konfiguration kan variera, arrangerade i mönster som linjära, cirkulära eller plana formationer.Denna inställning påverkar matrisens riktning och känslighet, vilket gör att den kan fånga ljud från specifika riktningar samtidigt som man ignorerar andra.Den kombinerade elektriska utgången från dessa matriser behandlas för att bilda en enda ljudsignal av hög kvalitet.
Bild 3: MEMS Microphone Array System
Hur matriser bearbetar ljud
Ljudbehandling i MEMS -mikrofonuppsättningar innebär att förstärka, försena och filtrera signalerna från enskilda mikrofoner.Varje steg tjänar ett specifikt syfte:
• Amplifiering ökar de svaga signalerna från mikrofonerna, vilket gör dem tillräckligt starka för ytterligare bearbetning.
• Försening av synkroniserar ljuden som fångats av olika mikrofoner vid olika tidpunkter på grund av deras fysiska separation.Denna synkronisering är bra för exakt ljudlokalisering och strålformning.
• Filtrering förbättrar vissa frekvenser medan du undertrycker andra, beroende på önskad utgång.Till exempel kan det ta bort högfrekventa brus eller öka frekvenser som är viktiga för talklarhet.
Bild 4: matriser och digitalt ljud
Den tekniska processen för att kombinera signaler
Att kombinera signaler i MEMS -mikrofonuppsättningar är en sofistikerad process som syftar till att förbättra önskade ljud samtidigt som du minskar bakgrundsbrus, känd som strålformning.Strålformning använder mikrofonarrangemanget och den differentiella tidpunkten (fördröjning) av ljudvågor för att fokusera matrisens känslighet på ljudkällan av intresse, vilket minimerar störningar från oönskat brus.
Denna process involverar beräkning av vikter för varje mikrofonutgång, vilket bestämmer hur mycket varje signal ska bidra till den slutliga utgången.Vikterna justeras baserat på ljudvågens riktning och den akustiska miljön.Genom att kombinera dessa viktade signaler skapar matrisen ett riktningsfokus som förbättrar ljudfångst från specifika riktningar samtidigt som störningar minskar.
Avancerade signalbehandlingstekniker som adaptiv filtrering justerar dynamiskt behandlingsparametrar som svar på förändringar i ljudmiljön.Denna anpassningsförmåga gör det möjligt för MEMS -mikrofonuppsättningar att upprätthålla optimal prestanda i olika miljöer, från tyst studior till bullriga utomhusmiljöer.
Bild 5: MEMS mikrofonuppsättningar
Betydelsen av signal-till-brusförhållande (SNR)
Signal-till-brusförhållande (SNR) är ett viktigt mått inom ljudteknologi.Den jämför nivån på den önskade signalen med nivån på bakgrundsbrus, uttryckt i decibel (dB).En högre SNR betyder en tydligare ljudsignal med mindre brus, medan en lägre SNR indikerar mer bakgrundsbrus, vilket försämrar ljudkvaliteten.
SNR används för många ljudenheter, från smartphones och hörlurar till professionell inspelningsutrustning.I ljudsystem av hög kvalitet innebär en hög SNR att ljudutgången är mycket nära den ursprungliga inspelningen, med minimal bakgrundsljud.Detta är användbart vid inspelningsstudior eftersom små ljud kan påverka ljudkvaliteten i hög grad.
I kommunikationssystem kräver SNR för tydlighet.I en bullrig miljö kommer till exempel en enhet med en dålig SNR att producera oklart ljud, vilket gör det svårt för användare att förstå varandra.Därför är att upprätthålla en hög SNR ett huvudmål i att utforma och utveckla ljudteknologier.
Bild 6: Signal-till-brusförhållande (SNR)
Hur MEMS -mikrofonuppsättningar förbättrar SNR genom att minska oönskat brus
Strålformande
MEMS -mikrofonuppsättningar förbättrar SNR genom strålformning.Denna teknik bearbetar signaler från flera mikrofoner för att skapa ett fokuserat, riktningsrespons.Genom att fånga ljud från en specifik riktning och minimera brus från andra riktningar är strålformning effektiv i inställningar där ljudkällan är fixerad och känd, som i smarta högtalare och konferenssystem.
Bulleravbokning
En annan metod för att förbättra SNR är brusavbrott.Genom att jämföra ljudsignaler från olika mikrofoner i matrisen kan systemet upptäcka och upphäva oönskat brus och därmed förbättra tydligheten i den önskade signalen.Denna funktion är användbar i konsumentelektronik som ofta används i bullriga offentliga utrymmen.
Rumsligt filtrering
MEMS -mikrofonuppsättningar utmärker sig också i rumslig filtrering, vilket isolerar ljud från olika platser.Detta minskar inte bara bakgrundsbrus utan förbättrar också den totala ljudfångstkvaliteten.Sådana funktioner gör MEMS -matriser idealiska för komplexa akustiska miljöer.
Mikrofonuppsättningar
Mikrofonuppsättningar för bredd är arrangerade i en eller två dimensioner, vinkelrätt mot ljudkällan.Denna installation är effektiv i miljöer med förutsägbara ljudriktningar, vilket gör att systemet kan fokusera på ljud framifrån medan man ignorerar sidobrus.Det fysiska arrangemanget säkerställer att alla mikrofoner får ljud från den avsedda riktningen samtidigt, vilket leder till konstruktiv signalöverföring.Ljud som anländer från andra riktningar upplever dock fasavvikelser på grund av olika ankomsttider, vilket resulterar i svagare sammanfattning och minskad produktion.Denna konfiguration är idealisk för enheter som datorskärmar eller TV -skärmar, vilket förbättrar hörselupplevelsen genom att fokusera på ljud direkt från visningsområdet.
Bild 7: Mikrofonuppsättningar på bredden
Endfire -mikrofonuppsättningar
ENDFIRE MICROPHONE Arrays Position Mikrofoner linjärt längs ljudets riktning.Denna installation drar nytta av de naturliga tidsförseningarna i ljudutbredning, med varje mikrofon som fångar ljudet med något försenade intervall.Dessa förseningar är elektroniskt justerade för att synkronisera signalerna, vilket förbättrar sammanfattningen av önskade ljud.Endfire -matriser är utmärkta vid isoleringsljud framifrån samtidigt som du minskar ljud från andra riktningar, inklusive baksidan.Detta riktningsfokus gör dem lämpliga för handhållna enheter som mikrofoner som används i offentligt talande eller föreställningar, där de kan rikta in sig på specifika ljudkällor och isolera dem från omgivande brus.
Bild 8: Mikrofonuppsättningar på bredden kontra Endfire -mikrofonuppsättningar
Arbetsprinciper för MEMS -mikrofonuppsättningar
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Mikrofonmatriser är avancerade enheter som kombinerar mikrofabriceringsteknik med ljudteknik för att fånga och bearbeta ljud med hög precision.Dessa matriser fungerar baserat på flera kärnfunktioner: ljudfångst, signalbehandling och brusreducering.
Ljudfångst genom flera mikrofoner
MEMS -mikrofonuppsättningar använder flera rumsligt distribuerade mikrofoner för att prova den akustiska miljön.Varje mikrofon omvandlar ljudvågor till elektriska signaler, vilket gör att systemet kan samla in ljud från olika riktningar.Denna installation förbättrar matrisens noggrannhet när det gäller att upptäcka ljudets ursprung och egenskaper.Den rumsliga fördelningen kräver att fånga en bredare ljudfältuppgifter som ljudlokalisering och strålformning.Strålformning riktar matrisens känslighet gentemot en specifik ljudkälla samtidigt som man undertrycker andra.
Digital signalbehandling (DSP)
Efter att ha tagit ljud behandlas de elektriska signalerna från varje mikrofon av ett DSP -system.Detta system är beräkningscentret för MEMS -mikrofonuppsättningar, där rådata analyseras.DSP -algoritmer syntetiserar signaler från flera mikrofoner för att skapa en sammanhängande ljudkarta.Tidsstampning av varje signal kan systemet exakt bestämma riktningen och banan för ljudet genom rymden.
Bild 9: Digital signalbehandlingsblockdiagram
Brusfiltrering och ljudförbättring
DSP förbättrar också ljudkvaliteten genom att filtrera bort bakgrundsbrus och klargöra önskat ljud.Tekniker som brusundertryckning, ekoavbrott och förstärkningskontroll används för att förbättra ljudfideliteten.Dessa processer är bäst för applikationer som kräver tydlig ljudåtergivning, såsom telekonferenssystem, hörapparater och röstassistenter.
MEMS Microphones -typer
Bild 10: MEMS omnidriktad mikrofon
Omnidriktningsmikrofon
MEMS omnidriktade mikrofoner fångar ljud enhetligt från alla riktningar.Detta skiljer dem från riktningsmikrofoner, som fokuserar på ljud från specifika riktningar.MEMS omnidriktade mikrofoner använder små membran tillverkade med MEMS -teknik.Dessa membran upptäcker ljudvågor från vilken riktning som helst och gör mikrofonerna mycket anpassningsbara.Deras lilla storlek och konsekventa prestanda möjliggör enkel integration i olika enheter.
Dessa mikrofoner utmärker sig i inställningar där ljudkällor rör sig eller kommer från flera riktningar.I ett konferensrum kan till exempel människor tala från vilken riktning som helst runt bordet.Den omnidriktade mikrofonen säkerställer tydlig röstfångst, förbättrar kommunikation och inspelning.
Smart Home-enheter, som röstaktiverade assistenter, måste hämta kommandon var som helst i rummet.På liknande sätt förlitar sig säkerhetssystem på dessa mikrofoner för att upptäcka ljud som utlöser varningar och drar nytta av deras omfattande ljudupptagning.
Bild 11: MEMS -riktningsmikrofon
Riktningsmikrofon
Mikro-elektro-mekaniska system (MEMS) riktningsmikrofoner är viktiga för att förbättra ljudklarheten genom att fokusera på ljud från specifika riktningar och minimera oönskat brus.Denna teknik använder en rad små mikrofoner som arbetar tillsammans för att förbättra känsligheten mot ett riktat område.Detta tillvägagångssätt är användbart vid telekommunikation och hörapparater.
I telekommunikation isolerar och förstärker MEMS -riktningsmikrofoner ljud från särskilda riktningar, vilket säkerställer tydliga samtal trots omgivande brus.Detta är funktionellt på bullriga platser som livliga gator eller trånga kontor.Med fokus på högtalarens röst och skär ut bakgrundsbrus erbjuder dessa mikrofoner tydligare och mer förståeligt ljud, vilket förbättrar användarupplevelsen.
Avancerade hörapparater använder dessa mikrofoner för att fokusera på den primära ljudkällan som användaren står inför och anpassar sig till förändringar i hörselmiljön för att upprätthålla optimal prestanda.
MEMS -riktningsmikrofoner innehåller också sofistikerade signalbehandlingsalgoritmer.Dessa algoritmer analyserar ljud från olika vinklar och förstärker selektivt ljudvågor från önskad riktning.Denna avancerade teknik förbättrar inte bara mikrofonprestanda utan möjliggör också integration i mindre enheter som är bra för miniatyriserade prylar som smartphones och hörapparater.
Fördelar
Både omnidirektionella och riktade MEMS -mikrofoner erbjuder unika fördelar för olika situationer.Riktningsmikrofoner utmärker sig i bullriga miljöer genom att isolera den huvudsakliga ljudkällan, förbättra prestanda för hörapparater.Omnidirectional mikrofoner är bättre för tyst inställningar, fångar ljud från flera riktningar, vilket gör dem lämpliga för övervakningssystem.Moderna hörapparater kombinerar ofta båda typerna, vilket möjliggör manuella eller automatiska justeringar för att anpassa sig till olika omgivande ljud.
Funktioner i digitala MEMS -mikrofoner
Digitala MEMS-mikrofoner levererar data i en ½ cykel pulsdensitetsmodulering (PDM) -format, vilket kräver synkronisering mellan en klockingång (CLK) och en datautgång (data) -linje.En enda datalinje delas mellan två mikrofoner, betecknade som "vänster" eller "höger" genom att ställa in L/R -ingångstiftet till VDD eller mark.Dessa enheter drivs av antingen 1.8V eller 3.3V -leveranser.
I drift skriver den "vänstra" mikrofonen data om den stigande kanten av CLK och "höger" på den fallande kanten.Om den högra mikrofonen misslyckas eller är frånvarande fortsätter den vänstra mikrofonen att skriva data om den stigande kanten och växlar till högimpedans på de fallande kanterna.Detta gör att datalinjen endast återspeglar den vänstra mikrofonens utgång, vilket resulterar i ett fel eftersom DSP får identiska data för båda kanalerna.För att undvika dessa problem behöver vi grundliga tester.Klockfrekvensen, som sträcker sig från några hundra kHz till 3 MHz, påverkar strömförbrukning och ljudkvalitet.Korta kabelavstånd hjälper till att upprätthålla digital signalintegritet och minimera förluster på grund av långa kablar med hög kapacitet.
De flera MEMS -mikrofonerna
Att använda flera MEMS -mikrofoner i enheter förbättrar deras ljudfångningsfunktioner.Flera mikrofoner som arbetar tillsammans förbättrar signal-till-brusförhållandet (SNR) för att upprätthålla hög ljudkvalitet i bullriga miljöer som bilar eller under mobila samtal.Multimikrofoninställningar stöder avancerade funktioner som strålformning.
Integrering av flera MEMS -mikrofoner ger också test- och valideringsutmaningar.Ingenjörer måste utföra multikanalsmätningar för att säkerställa fasinriktning och synkronisering över mikrofonuppsättningen.För att förbättra ljudutgången behöver DSP -algoritmer exakta tester.Strikta processer och avancerad testutrustning säkerställer att dessa system fungerar pålitligt och producerar högkvalitativt ljud.
Slutsats
MEMS Technology är en huvuddel av moderna innovationer, vilket förbättrar kvaliteten och funktionen hos många system.Till exempel förbättrar MEMS -mikrofoner ljud i konsumentelektronik och ökar säkerheten i bilar.Dessa enheter förbättrar signalens tydlighet, levererar högkvalitativt ljud och minskar bruset.Skapandet av digitala MEMS -mikrofoner visar hur denna teknik utvecklas för att tillgodose dagens enheter med precision, effektivitet och tillförlitlighet.När MEMS -tekniken fortsätter att utvecklas kommer det att fortsätta att vara viktigt för att göra både aktuell och framtida teknik bättre.
Vanliga frågor [FAQ]
1. Är mikrofonuppsättningen en verklig mikrofon?
Ja, en mikrofonuppsättning är verkligen en samling faktiska mikrofoner.Den består av flera mikrofonenheter placerade för att fånga ljud från olika riktningar.Denna konfiguration gör det möjligt för matrisen att utföra komplexa ljudbehandlingsuppgifter som brusreducering och riktning, vilket förbättrar ljudupptagningskvaliteten jämfört med en enda mikrofon.
2. Vad är skillnaden mellan stereoblandning och mikrofonuppsättning?
Termerna "Stereo Mix" och "Microphone Array" hänvisar till olika aspekter av ljudhantering.En stereoblandning är en funktion på en dators ljudkort som kombinerar alla ljudingångar och utgångar till ett enda stereospår, så att du kan spela in eller strömma det kombinerade ljudet från olika källor samtidigt.Å andra sidan involverar en mikrofonuppsättning flera mikrofoner som arbetar tillsammans för att spela in ljud, som ofta används för att fånga rumslig ljudinformation och förbättra ljudkvaliteten genom att isolera ljudkällan från bakgrundsbrus.
3. Är MEMS -mikrofonanalog eller digital?
MEMS (mikroelektromekaniska system) mikrofoner kan vara antingen analoga eller digitala.Typen beror på utgångsformatet för ljudsignalen de producerar.Analoga MEMS -mikrofoner matar ut ljudsignaler som analoga vågor, vilket kräver ytterligare kretsar för konvertering till digitala signaler.Digitala MEMS -mikrofoner inkluderar emellertid en integrerad krets som konverterar ljud direkt till en digital signal, vilket förenklar anslutningen till digitala enheter.
4. Hur testar jag min MEMS -mikrofon?
Att testa en MEMS -mikrofon involverar flera steg för att säkerställa att den fungerar korrekt:
Anslutningskontroll: Se till att mikrofonen är korrekt ansluten till din testenhet (som en dator eller analysator).
Visuell inspektion: Kontrollera om fysisk skada som kan påverka prestandan.
Ljudtest: Använd en standardljudkälla eller prata i mikrofonen för att kontrollera om tydlighet och volym.Programvaruverktyg eller dedikerade ljudtestenheter kan hjälpa till att analysera ljudkvaliteten och upptäcka problem som distorsion eller brus.
Funktionella tester: Använd diagnostisk programvara för att köra funktionella tester som kontrollerar mikrofonens svar över olika frekvenser och ljudnivåer.
5. Vad är spänningen för en MEMS -mikrofon?
Driftspänningen för MEMS -mikrofoner sträcker sig mellan 1,5 till 3,6 volt, beroende på den specifika modellen och tillverkaren.Det är viktigt att hänvisa till det tekniska databladet för den specifika MEMS -mikrofonmodellen du använder för att bekräfta rätt driftspänning och se till att den matchar din applikations strömförsörjningsspecifikationer.