MEMS

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 什么是麦克风阵列 麦克风阵列是由一定数目的麦克风组成，对声场的空间特性进行采样并滤波的系统。 目前常用的麦克风阵列可以按布局形状分为：线性阵列，平面阵列，以及立体阵列。其几何构型是按设计已知，所有麦克风的频率响应一致，麦克风的采样时钟也是同步的。 02 — 麦克风阵列的作用 麦克风阵列一般用于： 声源定位，包括角度和距离的测量 抑制背景噪声、干扰、混响、回声 信号提取 信号分离 03 — 声源定位技术 利用麦克风阵列计算声源距离阵列的角度和距离，实现对目标声源的跟踪。 基于TDOA（Time Difference Of Arrival，到达时间差）的声源定位技术。估计信号到达两两麦克风之间的时间差，从而得到声源位置坐标的方程组。然后求解方程组即可得到声源的精确方位坐标。 04 — 信号的提取与分离 通过波束形成技术，在期望方向上有效地形成一个波束，仅拾取波束内的信号，从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的。 05 — 语音去混响 混响（Reverberation）是指声波在室内传播时，被墙壁、天花板、地板等障碍物形成反射声，并和直达声形成叠加的现象。 混响的作用 混响是声学中最重要的现象之一 合适的混响会使得声音圆润动听、富有感染力。 混响时间太长会使得声音含糊不清，听不清楚。 混响是建筑声学中要重点考虑的问题 演讲厅要短一些的混响时间，比如北京学术报告厅混响时间为1s 交响乐则需要长一些的混响时间，比如上海音乐厅混响时间为1.5s，维也纳音乐厅为2.05s 过大的混响会带来音素的交叠掩蔽现象，严重影响语音识别效果，尤其是远距离语音识别。 目前主流采用麦克风阵列+深度学习的方式来进行去混响。 06 — 线性麦克风阵列 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array) 阵列的输出是各阵元的加权和 最优波束方向可调 结构简单、方便布局 适用于车载、家电等场合 差分麦克风阵列( Differential Microphone Array ) 阵列的输出是两两麦克风之间的加权相减 最优波束方向只能在末端方向 适用于耳机通话等场合 07 — 平面麦克风阵列 平面麦克风阵列（Planar Microphone Array ） 实现平面360度等效拾音 麦克风个数越多，空间划分越精细，语音增强和降噪效果越好 广泛用于智能音箱和交互机器人上 08 — 立体麦克风阵列 立体阵列麦克风（3-D Microphone Array ） 真正实现全空间360度无损拾音 解决了平面阵高俯仰角信号响应差的问题 …

本文首发于微信公众号「声学号角」 第二届AES国际耳机技术大会刚于2019年8月29日在美国加利福尼亚州旧金山结束。 AES国际耳机技术大会 会议中有发表一篇论文“Design and electroacoustic analysis of a piezoelectric MEMS in-ear headphone”（压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析）。作者是来自德国的Andreas Männchen等人。 文中深入探讨了带有压电MEMS扬声器的入耳式耳机演示样品。演示样品包括，MEMS扬声器，耳机外壳，信号处理和应用特定的功放。研究的主要焦点在于MEMS耳机的详尽电声分析，包括电阻抗测量，各种声学测量以及压电MEMS驱动器的热行为研究。结果表明该技术在入耳式应用中具有很高的潜力，并认为在未来的改进中可以提供更好的声学性能。 压电MEMS扬声器样品简图 4片三角形的悬臂压电薄片，组成一个4mm*4mm的正方形。每片压电片由15um厚的多晶硅和2um的PZT（压电锆钛酸铅）组成。 压电片之间留9um间隙，以便机械解耦，并提供尽可能大的驱动位移。间隙非常窄，考虑空气的热粘性，空气泄露很小，可以忽略。所以虽然压电片之间有间隙，但可以当成一个整体。这样机电效率可以提升，并且不需要额外的柔性膜片。 压电MEMS入耳式耳机样品简图 前后腔设计和DSP调试和常规耳机是一样。 不过功放需要特殊定制。因为需要至少等于音频信号交流电压幅度的正向直流偏置电压，并且放大器必须能够稳定地驱动相对高的容性负载。 演示样品实物图片 阻抗幅值和相位曲线，激励电压1V直流偏置/ 0.2V交流 阻抗呈现容性。幅值斜率约-6dB/oct。从77kΩ@20Hz到84Ω@20kHz。相位基本保持-90°，除了9.3kHz出现一个谐振。电容约等于99nF。 声压级频响曲线测试结果，包含和不包含DSP。 频率响应测试的耳模拟器是根据IEC 60318-4采用GRAS RA0401。因为低频阻抗非常大，所以虽然激励电压需要较高10V，其功耗相对常规耳机其实会更小。 转换为相对于1mW功率的灵敏度 失真，1V不带DSP 失真，1V 带DSP 失真，10V 带DSP 1V激励时，失真还可接受。10V激励时中频失真较高。 主要是2次谐波失真，应该是存在一个非对称的非线性因素。很有可能是压电片本身的形状和材料等特性造成的。 互调失真 温度上升测量 无外壳，仅仅是压电MEMS扬声器。 器件表面增加了一层哑光黑色薄膜喷漆，以提高热辐射率。 在最恶劣的条件下，20kHz，10V直流，10V交流正弦信号激励下，172秒后最高温度稳定在27.2°，温度仅上升6.5℃。 这也是采用压电MEMS扬声器的优势之一，温升很低。 未来改善的方向 提高灵敏度。 改善压电片的形状和材料特性。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。 降低失真 增加机械阻尼，需要找到对应的材料和工艺 改变压电MEMS的设计，比如采用双向压电片，或许可以降低偶次谐波失真和互调失真。 自适应的非线性补偿。构建压电MEMS耳机的模型，通过音频算法来补偿失真。 改变压电材料。比如采用铝氮化钪（AlScN）等。这种材料已被证明具有高压电线性，可进一步降低非线性失真。此外，预计AlScN的材料变化会增加传感器灵敏度并消除对直流偏置的需求。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。且电容显着减小，从而简化了放大器电子元件。 除了耳机之外，压电MEMS扬声器也有可能应用在可穿戴设备，助听器，智能手机接收器以及智能手机或平板电脑等移动设备。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。