用MEMS加速度计作为拾音器完美再现乐器音效

MEMS（微机电系统）传感器在汽车、手机、个人电脑、相机等各种应用中屡见不鲜，但是直到现在，这类传感器还未用于吉他领域。本文作者将探究以下问题的答案：如何采用MEMS加速度计作为声学传感器。
　　
MEMS加速度计技术

典型的MEMS加速度计的核心单元是一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构：其中一组固定到衬底上，而另一组则安装到一组弹簧上的质量块上，该弹簧能够根据所施加的力产生移动，改变固定栅条与移动栅条之间的电容（见图1）。

图1 MEMS加速度计的结构

MEMS结构（见图2）通常采用单晶硅制成，或者采用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。采用这一灵活的技术可以制成机械特性差异很大的结构。弹簧刚度、感测元件的质量以及结构阻尼都可以通过设计进行控制和改变，从而实现可感应从零点几个g到数百个g的带宽高达20kHz的传感器。

图2 ADXL50 MEMS加速度计结构的显微图

MEMS感测单元可以与同一芯片（见图3）或者不同芯片上（见图4）的信号调理电路相连。对于单芯片解决方案而言，感测单元的电容可以低至1～2fF，相当于aF范围的量测分辨率。在双芯片结构中，MEMS单元的电容必须足够高，以便能够克服MEMS与ASIC调理电路之间连接线的寄生电容效应。

图3 ADXL202 ±2g加速度计

图4 典型双芯片加速度计的横截面图

作为震动测量传感器的加速度计

使用震动感测传感器作为乐器中的拾音器，这并不是一个新的概念。压电式以及电磁式传感器是目前许多拾音器应用的基础。微型MEMS加速度计的尺寸小、外形薄，因此不会在乐器中产生机械或质量负荷效应，这使得它们对于这些应用极具吸引力；但是由于商用加速度传感器的带宽极低，这类加速度计的应用到目前为止一直都受到限制。

加速度计技术方面的一些最新突破性进展使得具有非常高带宽但又非常小的加速度计实现了量产。ADI公司采用5mm×5mm×2mm封装尺寸的ADXL001（见图5）高g（±70～±500g）单轴加速度计的带宽就已经达到22kHz。这款产品可以通过检测设备声学特性的变化来确定电机或其他工业设备的“健康”状况。不过，这种特殊传感器要用作乐器的声学震动传感器还不够灵敏。理想的声学传感器需要测量所有3个轴向上的响应，而它却只能感应单轴运动。然而目前已经证明，采用MEMS技术已经能够实现全音频带宽内的加速度传感器。

图5 ADXL001的频率响应曲线

低g加速度计可以测量低至千分之一g级的加速度，但带宽一般被限制在5kHz左右。这一限制的原因可能是需要很高带宽的商业应用太少（主要的应用包括人的运动或者重力引起的加速度检测），故业界缺乏足够的动力去开发特别适用于音频频段测量的传感器。

三轴加速度计具有三个独立的输出，能够测量沿笛卡儿坐标系中X、Y、Z轴方向的加速度。举例来说，ADI公司的ADXL330三轴低g加速度计在X轴以及Y轴上具有高达6kHz的带宽，而在Z轴上的带宽约为1kHz。虽然还不够理想，但这个带宽已经使得该器件可以获取音频频段上的有用信息。其输出为模拟信号，故很容易用于标准的录音设备。由于其尺寸小于4mm×4mm×1.45mm（见图6），因此该传感器可以放入极小的空间中，在响应被测系统时不会产生质量负荷或者其他改变。下面将介绍这款低g加速度计如何用作吉他的拾音器。

图6 ADXL330 MEMS加速度计

声反馈

丹麦科学家Soren Larsen在上世纪20年代中期首次引入了全向电容式动态麦克风，是他最早发现了声反馈原理（称为Larsen效应）。对声学工程师来说，声反馈一直都是一个噩梦，很少有工程师能够完全控制它，特别是在任何演出现场都不可避免。甲壳虫乐队充分感受到了这种伪声的影响，继而在1964年决定将其添加到他们经典的专辑“I Feel Fine”的序曲中。随后摇滚乐界也开始像驯服野兽一样利用它，利用声音反馈在摇滚乐中增添了令人耳目一新的特色。而电吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，则故意地把吉他靠近扬声器来利用声反馈。随着这种风潮的消退，声学工程师继续努力消除声反馈所引起的令人不适的听觉效果，特别是在现场演出过程中。在设备齐全并经过特殊声学处理的录音棚里，利用全向麦克风可以完美地录制乐器声音，几乎达到惊人的现场感和保真度。理解并珍惜这一点的艺术家一直都在孜孜不倦地寻求如何能够把这种效果重现在舞台上。虽然希望能够以录音棚一样的质量来录制现场演出一直都是音乐人的梦想，但这几乎是不可能的。即使在舞台上采用最好的音响设备，舞台也经过了极佳的声学设计，声音工程师也能精通地利用各种混响并可以拥有最佳的设备和工具，但要获得理想的音效仍然存在着一道难以逾越的障碍：那就是声反馈。
　　
拾音器

通过采用方向性麦克风通常可以把声反馈减到最小。某种程度上这种方法是有效的，不过需要调音工程师不停地调节，来适应舞台瞬息万变的特点。

利用拾音器可以对乐器声音进行放大。所采用的各种技术具有一定差异，但基本的原理都是直接感应乐器本身的震动，而并非感测空中的声波。这种做法的优点很明显，即拾音器几乎不会产生声反馈，原因是它们对空气中传递的声波不敏感。但这种方法也有许多不足：包括要在乐器上找到最佳的发声位置是极其困难的，压电拾音器的声学特性也远远算不上完美，它们的输出阻抗为高阻，故需要特殊的乐器输入或直驳盒。此外，体积也较大，会影响乐器本身的自然声学特性。

于是，这催生了轻质接触式麦克风的概念。假如我们采用一个表面式传感器来测量乐器本体的加速度，最好是具有单轴以上功能。这种传感器具有更好的线性度，重量轻，从而不会影响被测乐器的声音特性。还可以进一步假定这些传感器具有类似的输出电平、输出阻抗，以及功率需求与传统麦克风相当。简言之，就是设想音乐人只需将该传感器插入到麦克风前置放大器或混音器输入的位置，就像任何其他麦克风一样。
　　
接触式麦克风

用心的读者一定会注意到我们在前面已经提到了加速度的概念。人耳响应的是声压，故麦克风也被设计成声压感测功能。为了简化讨论，这里直接给出一个结论，即一个靠近震动体的声压与加速度成正比。问题是加速度计具有多高的带宽方可用作接触式麦克风？

为了研究清楚这个概念，我们将一个三轴加速度计贴装到吉他上作为一个拾音器。对乐器的震动进行测量，并与内置的压电拾音器以及靠近吉他的MEMS麦克风进行比较。所用的吉他为Fender StratacousTIc，带有内置的Fender拾音器。在重量很轻的柔性电路上贴装了一个模拟输出的MEMS加速度计，并用蜂蜡将其贴装到吉他的琴桥位置，如图7所示。加速度计的X轴与吉他弦线的方向一致，Y轴与吉他弦线垂直，而Z轴则与吉他表面垂直。把一个平坦频率响应达到15kHz的MEMS麦克风贴装到距弦线3英寸远的位置作为参考。
利用该加速度计、内置的压电拾音器和MEMS麦克风各自录制了一段声音。图8给出了每个传感器的时域波形，这里没有对任何音段进行后处理。

 

图7  贴装在Fender StratacousTIc吉他上的加速度计

图8 采用不同传感器的时域波形

图9所示为在上述时域波形的一个波峰上所测得的压电拾音器的FFT频谱。结果显示响应中具有较强的低音分量。确实，实际的音频文件中都较多地具有丰富的低音响应。这种声音比较悦耳（还取决于个人偏好），因为腔体谐振能够产生比从乐器上直接听到的更丰富的低音。

 图9  压电拾音器的FFT频谱

MEMS麦克风的输出则非常平坦，乐声的重现效果非常好。其音质非常自然，均衡较好，逼真度高。与压电拾音器相同时间点上测得的FFT频谱如图10A所示。作为参考，图10B则给出了MEMS麦克风的频率响应。

 图10A   MEMS麦克风的FFT频谱

图10B   MEMS麦克风的频率响应

MEMS加速度计的输出非常有意思。目前其缺点包括本底噪声过高，在音轨的开始和末尾都能听到，且Z轴带宽明显限制到较低的频率。每个轴向上的声音再现也明显不同。

X轴和Y轴上的声音明快而清晰，声调上有可分辨出的明显差异。正如预期，Z轴上的声音明显地主要为低音。图11给出了X轴（A）、Y轴（B）以及Z轴上的频谱（C）。

图11a  MEMS加速度计X轴输出

图11b  MEMS加速度计Y轴输出

图11c  MEMS加速度计Z轴输出

如果将X、Y和Z轴混合到一起，即可实现乐声的较好重现，具有一定的明晰度。通过对混音环节进行调节，可以实现音调平衡变化，达到自然的乐声重现。由于目前加速度计的带宽限制，更大范围的高频谐波丢失了，但声音重现仍然惊人地逼真。
　　
结语

MEMS加速度计技术在乐器的拾音应用方面具有明显的潜力，特别是那些为声反馈问题困扰的现场应用。一个体积非常小、低功耗的MEMS器件可以贴装到乐器上任何不显眼的位置，而且不会影响乐器的自然震动特性。