Eine Einführung in MEMS -Mikrofonarrays
MEMS- oder Mikroelektro-mechanische Systeme sind winzige Geräte, die elektrische und mechanische Teile auf mikroskopischer Ebene kombinieren, die von einigen Mikrometern bis zu Millimetern reichen.Diese Systeme verwenden Sensoren, Aktuatoren und Mikroelektronik, um durch Mikrofabrikationstechnologie kleine, komplexe Geräte zu erzeugen.Im Herzen der MEMS -Technologie steht die Fähigkeit, mechanische Elemente wie Zahnräder, Federn und Scharniere mit elektronischen Schaltkreisen auf einem einzelnen Siliziumchip zu integrieren.Aufgrund dieser Integration können MEMS -Geräte auf Mikroskala spüren, steuern und wirken und gleichzeitig auf Makroskala kommunizieren.In diesem Artikel wird die Hauptaufgabe von MEMs in verschiedenen Bereichen untersucht, von der Unterhaltungselektronik bis zur Gesundheitsversorgung.MEMS -Geräte veränderten traditionelle Technologien mit Innovationen wie MEMS -Mikrofonarrays, die in Autos und Telekommunikationssystemen verwendet werden.
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Abbildung 1: MEMs (Mikroelektromechanische Systeme) Mikrofonarrays
Rolle von MEMs in der modernen Technologie
Die MEMS-Technologie ist in vielen Branchen die Nachfrage, da sie flexibel, klein, energieeffizient und kostengünstig ist.So werden MEMs in der modernen Technologie verwendet:
Unterhaltungselektronik
MEMs sind in der Unterhaltungselektronik nützlich und ermöglichen Funktionen wie Bewegungsemerkennung und Bildstabilisierung in Geräten wie Smartphones, Tablets und Gaming -Konsolen.Gemeinsame MEMS -Geräte in diesem Bereich umfassen Gyroskope und Beschleunigungsmesser.
Automobilindustrie
Im Automobilsektor verbessern MEMS sowohl die Sicherheit als auch die Funktionalität.Sie werden in Airbagsensoren, Reifendrucküberwachungssystemen und Fahrzeugstabilitätskontrollsystemen verwendet, die zu einer verbesserten Sicherheit und Leistung beitragen.
Gesundheitspflege
Die MEMS -Technologie verändert die medizinischen Geräte.Beispiele sind Labor-auf-A-Chip-Geräte für Diagnostika, implantierbare Arzneimittelabgabesysteme und fortschrittliche chirurgische Tools, die minimal invasive Verfahren ermöglichen.
Industrielle Anwendungen
In industriellen Umgebungen überwachen MEMS -Sensoren Bedingungen wie Temperatur, Druck und Vibration.Diese Überwachung unterstützt die Vorhersagewartung und steigert die Systemeffizienz.
Telekommunikation
MEMs verbessern Kommunikationssysteme, indem sie Geräte wie optische Schalter und variable Kondensatoren verbessern, gut für die Verwaltung von Signalrouting und Netzwerkleistung.
Umweltüberwachung
Sensoren auf MEMS-Basis überwachen die Umgebungsbedingungen, einschließlich Luft- und Wasserqualität, und erkennen gefährliche Gase.Ihre geringe Größe und Effizienz machen sie für den Einsatz an verschiedenen und häufig abgelegenen Standorten geeignet.
Abbildung 2: MEMS -Gerät
Zusammensetzung und Betrieb von MEMS -Mikrofonarrays
Im Folgenden befassen wir uns mit den Struktur-, Schallverarbeitungsmethoden und Signalkombinationstechniken von MEMS -Mikrofonarrays.
Beschreibung der Array -Struktur
MEMS -Mikrofonarrays bestehen aus mehreren Mikrofonen, die zur Zusammenarbeit positioniert sind.Jedes Mikrofon ist ein winziges Gerät mit mechanischen und elektronischen Komponenten, die unter Verwendung von Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden.Diese Mikrofone wandeln Sound in elektrische Signale um.
Die Konfiguration des Arrays kann variieren und in Mustern wie linearer, kreisförmiger oder planaren Formationen angeordnet.Dieses Setup beeinflusst die Direktionalität und Empfindlichkeit des Arrays und ermöglicht es, Klang aus bestimmten Richtungen zu erfassen und gleichzeitig andere zu ignorieren.Der kombinierte elektrische Ausgang aus diesen Arrays wird verarbeitet, um ein einzelnes hochwertiges Audiosignal zu bilden.
Abbildung 3: MEMS -Mikrofonarray -System
Wie Arrays klingen
Die Schallverarbeitung in MEMS -Mikrofonarrays beinhaltet die Verstärkung, Verzögerung und Filterung der Signale aus einzelnen Mikrofonen.Jeder Schritt dient einem bestimmten Zweck:
• Die Verstärkung steigert die schwachen Signale aus den Mikrofonen und macht sie für die weitere Verarbeitung stark genug.
• Verzögern Sie die Synchronisierung der Geräusche, die aufgrund ihrer physischen Trennung von verschiedenen Mikrofonen zu unterschiedlichen Zeiten erfasst wurden.Diese Synchronisation ist gut für genaue Klanglokalisierung und Beamformierung.
• Die Filterung verbessert bestimmte Frequenzen und unterdrückt andere je nach gewünschter Ausgabe.Beispielsweise kann es Hochfrequenzrauschen entfernen oder die für die Sprachklarheit wichtige Frequenzen steigern.
Abbildung 4: Arrays und digitaler Klang
Der technische Prozess der Kombination von Signalen
Das Kombinieren von Signalen in MEMS -Mikrofon -Arrays ist ein ausgeklügelter Prozess, der darauf abzielt, die gewünschten Geräusche zu verbessern und gleichzeitig das Hintergrundrauschen zu verringern, das als Beamforming bezeichnet wird.Beamforming verwendet die Mikrofonanordnung und das unterschiedliche Timing (Verzögerung) von Schallwellen, um die Empfindlichkeit des Arrays auf die Tonquelle von Interesse zu fokussieren, wodurch die Interferenz aus unerwünschtem Rauschen minimiert wird.
Bei diesem Prozess werden Gewichte für die Ausgabe jedes Mikrofons berechnet und festgelegt, wie viel jedes Signal zum endgültigen Ausgang beitragen sollte.Die Gewichte passen sich an der Richtung der Schallwellen und der akustischen Umgebung an.Das Array kombiniert diese gewichteten Signale und erzeugt einen Richtungsfokus, der die Schalleinfassung aus bestimmten Richtungen verbessert und gleichzeitig die Interferenz verringert.
Erweiterte Signalverarbeitungstechniken wie die adaptive Filterung passen die Verarbeitungsparameter als Reaktion auf Änderungen in der Schallumgebung dynamisch an.Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es MEMS -Mikrofon -Arrays, in verschiedenen Umgebungen eine optimale Leistung zu erhalten, von ruhigen Studios bis hin zu lauten Außenumgebungen.
Abbildung 5: MEMS -Mikrofonarrays
Bedeutung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR)
Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist eine wichtige Maßnahme in der Audio-Technologie.Es vergleicht den Pegel des gewünschten Signals mit dem in Dezibel (DB) ausgedrückten Hintergrundrauschpegel.Ein höheres SNR bedeutet ein klareres Audiosignal mit weniger Rauschen, während ein niedrigerer SNR mehr Hintergrundgeräusche angibt, was die Audioqualität beeinträchtigt.
SNR wurde für viele Audiogeräte verwendet, von Smartphones und Kopfhörern bis hin zu professionellen Aufnahmegeräten.In hochwertigen Audiosystemen bedeutet ein hoher SNR die Audioausgabe sehr nahe an der ursprünglichen Aufzeichnung mit minimalem Hintergrundrauschen.Dies ist nützlich bei den Aufnahmestudios, da kleine Geräusche die Audioqualität stark beeinflussen können.
In Kommunikationssystemen benötigt SNR Klarheit.In einer verrückten Umgebung erzeugt ein Gerät mit einem schlechten SNR beispielsweise unklare Audio, was es den Benutzern schwierig macht, sich gegenseitig zu verstehen.Daher ist die Aufrechterhaltung eines hohen SNR ein Hauptziel bei der Gestaltung und Entwicklung von Audio -Technologien.
Abbildung 6: Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Wie MEMS -Mikrofonarrays SNR verbessern, indem er unerwünschtes Rauschen reduziert
Strahlforming
MEMS -Mikrofonarrays verbessern SNR durch Beamformierung.Diese Technik verarbeitet Signale aus mehreren Mikrofonen, um eine fokussierte Richtungsreaktion zu erzeugen.Durch die Erfassung von Klang aus einer bestimmten Richtung und das Minimieren von Rauschen aus anderen Richtungen ist Beamforming in Einstellungen wirksam, in denen die Schallquelle fest und bekannt ist, wie in Smart -Lautsprechern und Konferenzsystemen.
Geräuschunterdrückung
Eine andere Methode zur Verbesserung der SNR ist die Rauschunterdrückung.Durch den Vergleich von Audiosignalen aus verschiedenen Mikrofonen innerhalb des Arrays kann das System unerwünschte Rauschen erkennen und aufnullieren, wodurch die Klarheit des gewünschten Signals verbessert wird.Diese Funktion ist nützlich in der Unterhaltungselektronik, die häufig in lauten öffentlichen Räumen verwendet wird.
Räumliche Filterung
MEMS -Mikrofon -Arrays exponieren auch in der räumlichen Filterung, die Geräusche von verschiedenen Stellen isoliert.Dies reduziert nicht nur Hintergrundgeräusche, sondern verbessert auch die Qualität der Audioerfassung.Solche Funktionen machen MEMS -Arrays ideal für komplexe akustische Umgebungen.
Breitmikrofonarrays
Breitmikrofonarrays sind in ein oder zwei Dimensionen angeordnet, senkrecht zur Schallquelle.Dieses Setup ist in Umgebungen mit vorhersehbaren Schallanweisungen wirksam, sodass sich das System auf Geräusche von vorne konzentrieren und gleichzeitig seitliches Rauschen ignoriert.Die physikalische Anordnung stellt sicher, dass alle Mikrofone gleichzeitig Klang aus der beabsichtigten Richtung erhalten, was zu einer konstruktiven Signalübersicht führt.Geräusche, die aus anderen Richtungen kommen, erleben jedoch Phasendiskrepanzen aufgrund unterschiedlicher Ankunftszeiten, was zu einer schwächeren Summierung und einer verringerten Ausgabe führt.Diese Konfiguration ist ideal für Geräte wie Computermonitore oder Fernsehbildschirme, wodurch das auditorische Erlebnis verbessert wird, indem Sie sich direkt aus dem Anzeigebereich auf Sounds konzentrieren.
Abbildung 7: Mikrofonarrays der Breitseite
Endfeuer -Mikrofonarrays
Endfeuer -Mikrofonarrays positionieren Mikrofone linear entlang der Schallrichtung.Dieses Setup nutzt die natürlichen zeitlichen Verzögerungen bei der Schallausbreitung, wobei jedes Mikrofon den Schall in leicht verzögerten Intervallen erfasst.Diese Verzögerungen werden elektronisch eingestellt, um die Signale zu synchronisieren, wodurch die Summe der gewünschten Geräusche verbessert wird.Endfeuer -Arrays sind hervorragend darin, Geräusche von vorne zu isolieren und Geräusche aus anderen Richtungen, einschließlich des Hecks, zu reduzieren.Dieser Richtungsfokus macht sie für Handheld -Geräte wie Mikrofone geeignet, die in öffentlichem Sprechen oder Aufführungen verwendet werden, wo sie bestimmte Klangquellen ansprechen und aus Umgebungsgeräuschen isolieren können.
Abbildung 8: Mikrofonarrays der Breitseite im Vergleich zum Ende des Endfeuer -Mikrofons -Arrays
Arbeitsprinzipien von MEMS -Mikrofonarrays
MEMS-Mikrofonarrays (Mikroelektro-mechanische Systeme) sind fortschrittliche Geräte, die die Mikrofabrikationstechnologie mit Sound Engineering kombinieren, um Audio mit hoher Genauigkeit zu erfassen und zu verarbeiten.Diese Arrays funktionieren basierend auf mehreren Kernfunktionen: Schallaufnahme, Signalverarbeitung und Rauschreduzierung.
Schallaufnahme durch mehrere Mikrofone
MEMS -Mikrofonarrays verwenden mehrere räumlich verteilte Mikrofone, um die akustische Umgebung zu probieren.Jedes Mikrofon wandelt Schallwellen in elektrische Signale um, sodass das System Audio aus verschiedenen Richtungen sammeln kann.Dieses Setup verbessert die Genauigkeit des Arrays bei der Erkennung der Herkunft und Eigenschaften von Geräuschen.Die räumliche Verteilung erfordert, um breitere Schallfeldaufgaben wie Klanglokalisierung und Beamformierung zu erfassen.Beamforming lenkt die Empfindlichkeit des Arrays gegenüber einer bestimmten Schallquelle und unterdrückt andere.
Digitale Signalverarbeitung (DSP)
Nach der Erfassung von Schall werden die elektrischen Signale aus jedem Mikrofon von einem DSP -System verarbeitet.Dieses System ist das Computerzentrum von MEMS -Mikrofonarrays, in dem Rohdaten analysiert werden.DSP -Algorithmen synthetisieren Signale aus mehreren Mikrofonen, um eine zusammenhängende Klangkarte zu erstellen.Das System kann die Richtung und Flugbahn durch den Raum genau bestimmen.
Abbildung 9: Digital Signal Processing Block Diagramm
Geräuschfilterung und Klangverbesserung
Der DSP verbessert auch die Audioqualität, indem er Hintergrundgeräusche herausfiltert und den gewünschten Klang klärt.Techniken wie Rauschunterdrückung, Echo -Stornierung und Gewinnkontrolle werden verwendet, um die Audio -Treue zu verbessern.Diese Prozesse eignen sich am besten für Anwendungen, die eine klare Schallwiedergabe erfordern, z. B. Telekonferenzsysteme, Hörgeräte und Smartphone -Sprachassistenten.
MEMS -Mikrofone Typen
Abbildung 10: MEMS omnidirektionales Mikrofon
Omnidirektionalmikrofon
MEMS omnidirektionale Mikrofone erfassen so einheitlich aus allen Richtungen.Dies unterscheidet sie von Richtmikrofonen, die sich auf Klang aus bestimmten Richtungen konzentrieren.MEMS omnidirektionale Mikrofone verwenden winzige Zwerchfell mit MEMS -Technologie.Diese Zwerchfell erkennen Schallwellen aus jeder Richtung und machen die Mikrofone hoch anpassungsfähig.Ihre geringe Größe und die konsistente Leistung ermöglichen eine einfache Integration in verschiedene Geräte.
Diese Mikrofone zeichnen sich in Einstellungen aus, in denen sich die Klangquellen bewegen oder aus mehreren Richtungen stammen.Zum Beispiel können Menschen in einem Konferenzraum aus jeder Richtung um den Tisch sprechen.Das omnidirektionale Mikrofon sorgt für eine klare Sprachaufnahme, Verbesserung der Kommunikation und Aufzeichnung.
Smart Home-Geräte wie sprachaktivierte Assistenten müssen Befehle von überall im Raum abholen.In ähnlicher Weise stützen sich Sicherheitssysteme auf diese Mikrofone, um Geräusche zu erkennen, die Warnungen auslösen, und profitieren von ihrer umfassenden Tonaufnahme.
Abbildung 11: MEMS -Richtungsmikrofon
Richtungsmikrofon
Richtungsmikrofone (Mikroelektro-mechanische Systeme) (MEMS) sind wichtig, um die Audioklarheit zu verbessern, indem sie sich auf Geräusche aus bestimmten Richtungen konzentrieren und unerwünschtes Rauschen minimieren.Diese Technologie verwendet eine Reihe von winzigen Mikrofonen, die zusammenarbeiten, um die Empfindlichkeit gegenüber einem gezielten Bereich zu verbessern.Dieser Ansatz ist nützlich für Telekommunikations- und Hörgeräte.
In der Telekommunikation isolieren und verstärken MEMS -Richtungsmikrofone den Klang aus bestimmten Richtungen und sorgen für eindeutige Gespräche trotz Umgebungsgeräusche.Dies ist an lauten Orten wie belebten Straßen oder überfüllten Büros funktionsfähig.Diese Mikrofone konzentrieren sich auf die Stimme des Sprechers und das Ausschneiden von Hintergrundgeräuschen und bieten klarere und verständlichere Audio, wodurch die Benutzererfahrung verbessert wird.
Erweiterte Hörgeräte verwenden diese Mikrofone, um sich auf die primäre Klangquelle zu konzentrieren, mit der der Benutzer konfrontiert ist, und passt sich an Änderungen in der auditorischen Umgebung an, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten.
MEMS -Richtungsmikrofone enthalten auch hoch entwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen.Diese Algorithmen analysieren den Klang aus verschiedenen Winkeln und verstärken selektiv Schallwellen aus der gewünschten Richtung.Diese fortschrittliche Technologie verbessert nicht nur die Mikrofonleistung, sondern ermöglicht auch die Integration in kleinere Geräte, die für miniaturisierte Geräte wie Smartphones und Hörgeräte gut sind.
Vorteile
Sowohl omnidirektionale als auch Richtungsmems -Mikrofone bieten für verschiedene Situationen einzigartige Vorteile.Richtungsmikrofone zeichnen sich in lauten Umgebungen durch, indem es die Hauptschallquelle isoliert und die Hörgeräteleistung verbessert.Omnidirektionale Mikrofone eignen sich besser für ruhige Einstellungen und erfassen Klang aus mehreren Richtungen, wodurch sie für die Überwachungssysteme geeignet sind.Moderne Hörgeräte kombinieren häufig beide Typen und ermöglichen es, manuelle oder automatische Anpassungen an unterschiedliche Umgebungsgeräusche anzupassen.
Merkmale digitaler MEMs -Mikrofone
Digitale MEMS-Mikrofone liefern Daten im PDM-Format (½ Cycle Impulsdichtemodulation), das eine Synchronisation zwischen einem Takteingang (CLK) und einer Datenausgangslinie (Data Output (Data)) erfordert.Eine einzelne Datenlinie wird zwischen zwei Mikrofonen geteilt, die als "links" oder "rechts" bezeichnet werden, indem der L/R -Eingangspin auf VDD oder Masse festgelegt wird.Diese Geräte werden entweder von 1,8 V oder 3,3 V versorgt.
Im Betrieb schreibt das "linke" Mikrofon Daten am steigenden Rand des CLK und auf die "rechte" am fallenden Rand.Wenn das rechte Mikrofon ausfällt oder fehlt, schreibt das linke Mikrofon weiterhin Daten an der steigenden Kante und schaltet an den fallenden Kanten auf hohe Impedanz um.Dies führt dazu, dass die Datenlinie nur die Ausgabe des linken Mikrofons widerspiegelt, was zu einem Fehler führt, da der DSP für beide Kanäle identische Daten empfängt.Um diese Probleme zu vermeiden, benötigen wir gründliche Tests.Die Taktfrequenz von einigen hundert kHz bis 3 MHz beeinflusst den Stromverbrauch und die Audioqualität.Kurze Kabelabstände tragen zur Aufrechterhaltung der digitalen Signalintegrität und zur Minimierung von Verlusten aufgrund langer Kapazitätskabel.
Die mehreren MEMS -Mikrofone
Die Verwendung mehrerer MEMS -Mikrofone in Geräten verbessert ihre Audio -Erfassungsfunktionen.Mehrere Mikrofone, die zusammenarbeiten, verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), um eine hohe Audioqualität in lauten Umgebungen wie Autos oder bei mobilen Anrufen aufrechtzuerhalten.Multimikrophon-Setups unterstützen erweiterte Funktionen wie Beamforming.
Das Integrieren mehrerer MEMS -Mikrofone bringt auch Tests und Validierungsherausforderungen.Die Ingenieure müssen Mehrkanalmessungen durchführen, um die Phasenausrichtung und Synchronisation über das Mikrofonarray zu gewährleisten.Um die Audioausgabe zu verbessern, benötigen DSP -Algorithmen genaue Tests.Strenge Prozesse und fortschrittliche Testgeräte stellen sicher, dass diese Systeme zuverlässig funktionieren und qualitativ hochwertige Klang erzeugen.
Abschluss
Die MEMS -Technologie ist ein wichtiger Teil der modernen Innovationen und verbessert die Qualität und Funktion vieler Systeme.Beispielsweise verbessern MEMS -Mikrofone die Audio in der Unterhaltungselektronik und stärken die Sicherheit in Autos.Diese Geräte verbessern die Signalklarheit, liefern qualitativ hochwertigen Klang und senken das Geräusch.Die Schaffung digitaler MEMS -Mikrofone zeigt, wie sich diese Technologie entwickelt, um den Anforderungen der heutigen Geräte mit Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit zu erfüllen.Da die MEMS -Technologie weiter voranschreitet, wird sie weiterhin wichtig sein, um aktuelle und zukünftige Technologien zu verbessern.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
1. Ist ein Mikrofonarray ein tatsächliches Mikrofon?
Ja, ein Mikrofonarray ist in der Tat eine Sammlung tatsächlicher Mikrofone.Es besteht aus mehreren Mikrofoneinheiten, die platziert sind, um Klang aus verschiedenen Richtungen zu erfassen.Diese Konfiguration ermöglicht es dem Array, komplexe Audioverarbeitungsaufgaben wie Rauschreduzierung und -Roginalität auszuführen, wodurch im Vergleich zu einem einzelnen Mikrofon die Qualität der Klangerfassung verbessert wird.
2. Was ist der Unterschied zwischen Stereo -Mix und Mikrofonarray?
Die Begriffe "Stereo -Mix" und "Mikrofonarray" beziehen sich auf verschiedene Aspekte des Klanghandlings.Eine Stereo -Mischung ist eine Funktion auf der Soundkarte eines Computers, die alle Audioeingänge und Ausgaben in einer einzelnen Stereospur kombiniert, sodass Sie das kombinierte Audio gleichzeitig aus verschiedenen Quellen aufnehmen oder streamen können.Andererseits umfasst ein Mikrofonarray mehrere Mikrofone, die zusammenarbeiten, um Audio zu erfassen.
3. Ist MEMS -Mikrofon analog oder digital?
MEMS -Mikrofone (mikroelektromechanische Systeme) können entweder analog oder digital sein.Der Typ hängt vom Ausgangsformat des von ihnen erzeugten Audiosignals ab.Analoge MEMs -Mikrofone geben Audiosignale als analoge Wellen aus und erfordern zusätzliche Schaltkreise für die Umwandlung in digitale Signale.Digitale MEMS -Mikrofone umfassen jedoch einen integrierten Schaltkreis, der Sound direkt in ein digitales Signal umwandelt und die Konnektivität mit digitalen Geräten vereinfacht.
4. Wie teste ich mein MEMS -Mikrofon?
Das Testen eines MEMS -Mikrofons umfasst mehrere Schritte, um sicherzustellen, dass es korrekt funktioniert:
Konnektivitätsprüfung: Stellen Sie zunächst sicher, dass das Mikrofon ordnungsgemäß mit Ihrem Testgerät verbunden ist (wie ein Computer oder ein Analysator).
Visuelle Inspektion: Überprüfen Sie, ob physische Schäden, die die Leistung beeinflussen könnten.
Tontest: Verwenden Sie eine Standard -Klangquelle oder sprechen Sie in das Mikrofon, um Klarheit und Lautstärke zu überprüfen.Software -Tools oder dedizierte Audio -Testgeräte können die Klangqualität analysieren und Probleme wie Verzerrungen oder Rauschen erkennen.
Funktionstests: Verwenden Sie diagnostische Software, um Funktionstests auszuführen, mit denen die Reaktion des Mikrofons über verschiedene Frequenzen und Schallpegel überprüft wird.
5. Was ist die Spannung eines MEMS -Mikrofons?
Die Betriebsspannung von MEMS -Mikrofonen liegt je nach spezifischem Modell und Hersteller zwischen 1,5 und 3,6 Volt.Es ist wichtig, auf das technische Datenblatt des spezifischen MEMS -Mikrofonmodells zu verweisen, das Sie verwenden, um die korrekte Betriebsspannung zu bestätigen und sicherzustellen, dass die Stromversorgungsspezifikationen Ihrer Anwendung übereinstimmt.