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各種應用都使用麥克風將音頻聲音轉(zhuǎn)換為電信號。MEMS 麥克風具有全向指向性，從任何方向都能均勻地拾取聲音。很遺憾，轉(zhuǎn)換為電信號的聲音中除了所需的聲音之外，還常常包含多余的噪音。因此，可以采用 MEMS 麥克風陣列和相關(guān)電子元件改善接受檢測的聲音的音質(zhì)。該陣列可用于創(chuàng)建一種方向響應（也稱為束波），可濾除不需要的噪音，同時處理來自更理想方向的聲音。在這篇博文中，我們將介紹 MEMS 麥克風陣列的基礎(chǔ)知識，包括它們的工作原理、常見配置和典型應用。
MEMS 麥克風陣列概覽
所需聲音（信號）與不需要的聲音（噪音）的比率稱為信噪比 (SNR)。MEMS 麥克風陣列可用于增強所需聲音并減少不需要的聲音，從而改善系統(tǒng)的 SNR。
在構(gòu)建 MEMS 麥克風陣列時，會使用兩個或以上麥克風收集音頻聲音，然后結(jié)合各個麥克風發(fā)出的電信號，產(chǎn)生合成的電信號。在結(jié)合信號之前，會采用電子電路處理各個麥克風發(fā)出的信號（放大、延遲、濾波等）。經(jīng)過電氣處理之后，所需信號得到增強，而不必要的信號則會減弱。若要有效處理信號，陣列中使用的麥克風必須具有緊密匹配的性能規(guī)格或者單獨表征規(guī)格性能。麥克風的靈敏度是保證在陣列中實現(xiàn)良好匹配所需的首要參數(shù)。 MEMS 麥克風借助半導體制造工藝，具有緊密匹配的靈敏度容差，可直接使用，是麥克風陣列的理想選擇。
垂射麥克風陣列
許多麥克風應用都有特定的來源，以獲得所需的聲音。因此，通過“收聽”指定方向的聲音并“忽略”其他方向的聲音，可以提高系統(tǒng)的 SNR。垂射麥克風陣列是垂直于所需聲源放置的一維或二維麥克風陣列，可將各個麥克風發(fā)出的信號相加，從而產(chǎn)生所需的電信號。垂直于陣列的方向產(chǎn)生的聲音將同時到達麥克風，因此可在電子處理中積極相加。除垂直于陣列之外的方向產(chǎn)生的聲音到達麥克風的時間具有不同程度的延遲。通常，具有不同時間延遲的信號不會“順利”相加，會產(chǎn)生較低水平的電子信號。
計算機顯示器或電視屏幕的音頻接口就是垂射麥克風陣列的良好應用。由于用戶直接位于屏幕前方，因此陣列將會構(gòu)建于顯示器的同一平面上。此外，還可以在現(xiàn)有顯示器的物理深度內(nèi)實施陣列。
端射麥克風陣列
通過在所需聲源的方向布置一行麥克風構(gòu)造端射麥克風陣列，此時所需聲音會以不同的時間延遲到達各個麥克風。每個麥克風的處理電路都可以通過電子時間延遲補償麥克風的音頻時間延遲。端射麥克風陣列和垂射麥克風陣列相似，因為來自所需方向的信號能夠積極求和，但來自其他方向的信號求和值則較低。
雖然垂射和端射麥克風陣列都可以增強所需軸向的聲音捕獲并衰減其他噪聲源，但是垂射陣列在麥克風陣列的前面和后面可以同等成功地捕獲聲音。端射陣列僅捕獲陣列前方的聲音，并將衰減陣列后面以及所有其他方向的噪音。它還需要實際面向所需的聲音。手持式麥克風是這種拓撲的一個很好的應用，其中設(shè)備可以直接指向正在講話（或唱歌）的人并且僅捕獲該信號。
其他 MEMS 麥克風陣列應用
MEMS麥克風陣列還可用于確定聲音相對于陣列的方向。在本應用的一種常見實現(xiàn)中，麥克風會被放置在圓圈或球面的周邊上。采用電子信號處理識別各個麥克風發(fā)出的所需信號，同時可以借助在各個麥克風之間傳送的所需信號的相對時間延遲，確定相對于麥克風陣列的聲音源。
聲音位置麥克風陣列的常見應用是警察和軍隊的射擊檢測。與麥克風陣列相關(guān)聯(lián)的數(shù)字信號處理 (DSP) 電路可以區(qū)分槍聲與其他噪音的特征，然后確定槍擊方向。
結(jié)論
MEMS 麥克風陣列和相關(guān)的電子電路可用于強化聲音的監(jiān)測。消費電子應用通常設(shè)計有二到十個麥克風，以控制用戶的最終成本。在性能最重要的地方，會提供超過300個麥克風的陣列，用于在整個音頻頻譜上提供緊密的三維空間分辨率。這些麥克風陣列用于安全檢測和監(jiān)控等應用。但是，只有采用特性良好匹配的麥克風才能實現(xiàn)麥克風陣列。鑒于這一原因，具有低成本和高靈敏度公差的 MEMS 麥克風成為麥克風陣列應用設(shè)計者的首選。 |
