Многие электронные устройства имеют микрофон, и это касается не только бытовой электроники. Конечно, они являются ключевым компонентом для смартфонов, диктофонов, видеокамер, но с появлением цифровых помощников и приложений для распознавания речи они также используются в умных динамиках, наушниках и множестве других гаджетов. Кроме того, имеется область связанная с IoT. Все больше микрофонов используются в профессиональных устройствах, включая промышленные, в которых эти элементы слышат вибрации и необычные звуки механических систем, выполняя раннюю диагностику и прогнозирование отказов.
Для этих задач понадобятся высококачественные микрофоны для оптимального захвата аудио сигналов на разных устройствах. При создании устройств с микрофонами стоит обратить внимание на технологию MEMS, и их характерная особенность состоит в том, что они преодолевают существующие ограничения улавливания аудиосигнала.
Версии MEMS по сравнению с классическими емкостными и электретными микрофонами имеют много преимуществ. Во-первых, они намного меньше по размеру при той же производительности, поэтому их легче интегрировать в устройства и использовать множество микрофонов, расположенных в разных местах акустического тракта, не беспокоясь о том, что они занимают место.
Во-вторых, процесс производства таких элементов позволяет производить настройку параметров на заводе, чтобы их можно было рассматривать как парные элементы с одинаковыми амплитудными и фазовыми характеристиками. Благодаря этому упрощается разработка, поскольку не требуется точной настройки каждой детали. Еще одно преимущество – устойчивость к высоким температурам и возможность автоматической сборки в процессе SMT.
Производительность микрофонов
В качестве преобразователя звука микрофон преобразует волны звукового давления в электрические сигналы. Но не все микрофоны одинаковы – они характеризуются различными параметрами, которые вместе определяют подходит ли данный элемент для конкретного применения. Давайте рассмотрим наиболее важные.
- Минимальный уровень шума в выходном сигнале микрофона – это все сигналы, не относящиеся к желаемому входному сигналу. Шум может исходить от окружающей среды или от самого микрофона, и чем выше уровень шума, тем хуже качество записанного аудио.
- Уровень шума в микрофонах определяется различными параметрами или характеристиками. С одной стороны, собственный шум генерируется самим микрофоном при отсутствии звукового сигнала. Измеряется в среднеквадратичных значениях дБ полной шкалы.
- Эквивалентный входной шум – это воображаемый уровень акустического шума, который соответствует уровню электрического шума на выходе микрофона. Он выражается в дБ SPL (уровень звукового давления в дБ). Важным критерием является отношение сигнал / шум (SNR). Значение SNR в дБ является мерой собственного шума микрофона относительно предполагаемого или желаемого входного сигнала.
- Другими важными качественными характеристиками микрофонов выступают общие гармонические искажения (THD) и точка акустической перегрузки (AOP). На самом деле микрофоны, как и все преобразователи сигналов, являются нелинейными, то есть они добавляют определенный уровень искажений – дополнительные гармоники, обычно от второй до пятой. THD – это отношение энергии содержащейся в этих гармониках к энергии сигнала основной частоты. Выражается в процентах. По сути, AOP определяет точку, в которой THD превышает 10%. Но в более требовательных устройствах AOP иногда называют точкой, где THD = 1%. Другие параметры – это частотная характеристика и фаза.
Свойства и особо важные параметры
Работа микрофона MEMS основана на миниатюрном конденсаторе, состоящем из диафрагмы, которая является одной из его пластин, и задней пластины. Между этими двумя электродами приложено напряжение смещения. Деформирующаяся под действием акустического давления диафрагма вызывает изменение напряжения на пластинах этого конденсатора, что является результатом изменения емкости (межэлектродного расстояния) при постоянном заряде.
Принцип действия микрофона MEMS основан на конденсаторе, в котором одна обкладка является диафрагмой, а другая – эталонной пластиной – так называемая задняя пластина. Базовая микрофонная схема с двумя электродами, то есть диафрагмой и задней пластиной, может быть заменена в более сложном решении решением с двумя задними пластинами. Они расположены симметрично над и под диафрагмой.
Слева вариант с одинарной спинкой, справа – с двойной спинкой. Эта конструкция создает двойной конденсатор, который подает дифференциальный сигнал. Тут требуется более сложный усилитель, но с точки зрения параметров такие микрофоны имеют лучшую линейность и более низкие искажения THD, более устойчивы к искажениям при очень громких акустических сигналах. Симметричная конструкция и дифференциальный усилитель также помогают подавить отдельные гармоники.
Микрофоны MEMS могут иметь аналоговый или цифровой выход. Первое решение проще, потому что для работы требуется подать напряжение смещения для акустического датчика и малошумящий усилитель. Во втором случае потребуется аналого-цифровой преобразователь со сглаживающим фильтром и интерфейсная схема.
Цифровой выход упрощает подключение микрофона к цифровой системе, такой как микроконтроллер, и помогает контролировать помехи. Аналоговые компоненты более требовательны к развязке питания и требуют тщательного проектирования печатной платы. Нужно больше места на плате, в то время как для цифровых версий требуется места меньше. Сигнальная линия между датчиком и АЦП в этом случае очень короткая, поэтому подверженность помехам намного ниже.
Еще одно различие между микрофонами – это тип входа акустического сигнала. Доступ к диафрагме можно получить снизу или сверху корпуса. Выбор версии зависит от требований к конструкции и способа создания акустического канала к мембране.
В целом микрофоны с нижним входом обеспечивают лучшую производительность, но их сложнее применять. Это связано с тем что акустическая камера, в которой работает датчик, здесь меньше, и в ней нет других элементов кроме диафрагмы, которые мешают работе и создают паразитные резонансы. Нижние входные микрофоны используются в более сложных устройствах, включая смартфоны. Последние выбираются для менее требовательных устройств, например в ноутбуках.
Чувствительность микрофонов MEMS
Одним из основных параметров микрофона является чувствительность, но поскольку все больше устройств содержат более одного такого элемента, становится важным чтобы все элементы имели одинаковую чувствительность, одинаковые фазовые характеристики и групповую задержку. Без этого не будут работать формирование направленности, подавление эха и активное шумоподавление. Сравним MEMS XENSIV и классический электретный микрофон:
XENSIV микрофон
- Широкий диапазон рабочих частот
- Высокая линейность
- Динамический диапазон 105 дБ
- Низкий уровень собственного шума
- Двойная задняя пластина
- AOP 130-135 дБ SPL
- Малые габариты тип. 4 х 3 мм высота 1,2 мм
- Сборка в процессе SMT
- Укороченные амплитудно-фазовые параметры
- Потребление тока: 50 мкА – 1 мА
Электретный микрофон
- Цилиндрическая форма
- Диаметр 6-10 мм, высота 1-3 мм
- Чувствителен к высоким температурам
- Требуется ручная сборка
- Недоступен как парный элемент
- Параметры со временем ухудшаются
- Оптимизированное распознавание речи
XENSIV IM69D130 представляет новый класс качества микрофонов MEMS, устраняющий текущие ограничения в аудиосигналах.
В случае электронных схем, взаимодействующих с компьютерными алгоритмами (например для распознавания речи), звуковые сигналы воспринимаются иначе чем человеческим ухом. Соответственно, цели по качеству звука различаются. Здесь сигнал не обязательно звучит естественно, если он оптимизирован для компьютерных алгоритмов. Но независимо от области применения важно, чтобы сигнал не содержал помех и шумов.
Автоматическое распознавание голоса – это процесс, с помощью которого звуковые сигналы автоматически переводятся в письменный текст. Точность такой задачи в настоящее время составляет около 95%. Но до сих пор это значение было достигнуто только в лабораториях с очень благоприятными условиями окружающей среды.
Системы голосового управления всегда должны обеспечивать надежность распознавания и удобство для конечного пользователя. Для этого разработчики должны учитывать фактическое использование устройства на рабочем месте, вероятное расстояние пользователя от микрофона, а также ожидаемые уровни шума и фонового шума. Только тогда можно спроектировать систему для достижения максимально возможной эффективности. Модель IM69D130 обеспечивает неискаженную запись аудиосигналов даже при высоких уровнях звукового давления.
На практике голосовое управление очень чувствительно к акустическим помехам, таким как фоновый шум, реверберация, эхо, и зависит от положения микрофона по отношению к собеседнику. По этой причине недостаточно иметь хорошее программное обеспечение для распознавания голоса. Каждый элемент системы должен обеспечивать максимально возможную производительность, чтобы не снижалось качество работы. Назначение микрофона – предоставить системе распознавания голоса наилучший входной сигнал, который помогает анализировать голосовое содержание входящего звука.
В шумной среде распознавание голоса можно значительно улучшить, если используемый микрофон имеет высокую линейность, то есть обеспечивает самый низкий уровень искажений. И наоборот, высокий AOP помогает минимизировать искажения и улучшить подавление шума и эха. Иногда голосовой сигнал сам по себе недостаточно громкий, и возникают другие шумы вызывающие помехи. Это имеет место, например, когда громкоговоритель расположен рядом с голосовым микрофоном терминала, или когда цифровой помощник воспроизводит громкую музыку или дает речевую обратную связь.
Максимально возможное соотношение сигнал / шум
Микрофон IM69D130 устанавливает новые стандарты обнаружения звуковых и голосовых сигналов – на рисунке показан типичный фазовый отклик.
Чем дальше расстояние от источника речи, тем ниже отношение сигнал / шум, поступающего в алгоритм. По этой причине SNR микрофона должно быть высоким, если предполагаемое расстояние обнаружения должно быть как можно большим.
Обнаружение звуковых сигналов, а также качество разговоров между людьми можно улучшить, если замаскировать нежелательные звуки из сигнала. Целью такого процесса является увеличение отношения сигнал / шум, в данном случае отношения между желаемым аудиосигналом и нежелательным окружающим шумом. Снижение шума и поляризация могут быть достигнуты за счет использования нескольких микрофонов в сочетании с соответствующими алгоритмами, как в случае с интеллектуальными динамиками, где до 7 микрофонов работают вместе.
Такие микрофонные решетки позволяют использовать алгоритмы формирования луча и могут увеличивать чувствительность микрофонов в желаемом направлении и, таким образом, усиливать желаемые источники звука. Изощренный метод подавления шума – это алгоритмы «слепого разделения источников». Они позволяют снизить уровень шума независимо от направления, расстояния и места происхождения.
Все эти методы подавления шума выигрывают от точности и качества принимаемого сигнала. Поэтому микрофон должен иметь максимально возможное отношение SNR, низкие искажения, линейную частотную характеристику (что также улучшает фазовую характеристику) и низкую групповую задержку.
Основные особенности IM69D130
Микрофон IM69D130 разработан для устройств, где требуется высокое отношение сигнал / шум, широкий динамический диапазон, низкие искажения и высокая устойчивость к акустической перегрузке. Это позволяет очень точно распознавать голос и записывать очень громкие звуки на сцене и в промышленности. Отношение сигнал / шум (SNR) около 69 дБ.
IM69D130 оснащен двойной задней пластиной, что обеспечивает высокую линейность выходного сигнала и динамический диапазон 105 дБ. Собственный шум микрофона составляет 25 дБ (отношение сигнал / шум 69 дБ), а нелинейные искажения не превышают 1% даже при уровне звукового давления 128 дБ SPL (10% искажение при 130 дБ SPL).
То есть распознавание голосовых команд без искажений возможно даже при параллельном воспроизведении музыки из динамиков. Линейная частотная характеристика (падение частотки только ниже 28 Гц) и жесткие производственные допуски приводят к близкому фазовому соединению микрофонов. Элемент помещен в корпус размерами всего 4 х 3 х 1,2 мм.
Разброс чувствительности составляет ± 1 дБ, а фазовый синхронизм ± 2 ° на частоте 1 кГц. В результате IM69D130 обеспечивает крайне точное формирование звукового направления, обеспечивая взаимодействие с современными и эффективными алгоритмами распознавания речи.
Схема имеет цифровой интерфейс на выходе, поэтому не требует дополнительных аналоговых компонентов. Цифровая связь также снижает стоимость внедрения, поскольку линии передачи сигнала не нуждаются в защите от высокочастотных помех, а для устройств с несколькими микрофонами требуется меньше соединений.
Встроенная микросхема содержит малошумящий предусилитель и высокопроизводительный сигма-дельта АЦП (задержка всего 6 мкс на частоте 1 кГц). Это позволяет выбирать различные режимы мощности в соответствии с конкретными требованиями к энергопитании. Каждый микрофон IM69D130 имеет заводскую настройку для обеспечения очень малого допуска чувствительности (± 1 дБ). Это лишь один из примеров MEMS микрофона, на рынке есть и другие модели, которые в любом случае значительно превосходят по своим параметрам классические.
