汽車(chē)行業(yè)近些年正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨變，越來(lái)越多的電子元器件正被集成到汽車(chē)之中，以提高駕駛員和乘客的安全性和舒適性。甚至，如今的汽車(chē)已經(jīng)比幾十年前的超級(jí)計(jì)算機(jī)，擁有更高的算力和功能。自動(dòng)駕駛汽車(chē)現(xiàn)在似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好走出PPT，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。

這一轉(zhuǎn)變很大一部分要?dú)w功于車(chē)輛中部署的大量傳感器，它們被用于車(chē)輛以“看清”行車(chē)環(huán)境，幫助車(chē)載計(jì)算機(jī)創(chuàng)建對(duì)周?chē)澜绲母兄＠纾瑪z像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)以及超聲波傳感器等。到目前為止，傳統(tǒng)的音頻傳感器在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中的應(yīng)用還非常有限。然而，一些用例正在興起，例如緊急車(chē)輛檢測(cè)和語(yǔ)音命令等，它們需要能夠拾取車(chē)輛外部的聲音，以補(bǔ)充其它傳感器捕獲的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)認(rèn)為，MEMS麥克風(fēng)如果用于這些目的會(huì)因?yàn)楸┞队趷毫迎h(huán)境（如雪、灰塵、水和其它污染物）而容易發(fā)生故障。通過(guò)振動(dòng)傳感方式——一種替代聲音拾取機(jī)制，有望提供一種新的解決方法，同時(shí)不會(huì)受到車(chē)輛應(yīng)用惡劣環(huán)境的影響。此外，由于這類(lèi)傳感器封裝形式是完全密封的，還能夠降低集成復(fù)雜性。

新興的汽車(chē)用例

車(chē)內(nèi)拾音麥克風(fēng)已經(jīng)普及，其可以幫助車(chē)輛實(shí)現(xiàn)免提通話、語(yǔ)音命令以及主動(dòng)降噪等多種用例。近年來(lái)，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及，以及車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的進(jìn)步，為依靠車(chē)外聲音拾取的新興用例打開(kāi)了大門(mén)，以進(jìn)一步提高車(chē)輛安全性和舒適性。這些應(yīng)用大體可以分為兩類(lèi)：環(huán)境感知和外部語(yǔ)音拾取。

環(huán)境感知：全面、高度的自動(dòng)化駕駛（SAE Level 4級(jí)和Level 5級(jí)）要求車(chē)輛能夠檢測(cè)并響應(yīng)動(dòng)態(tài)行車(chē)環(huán)境，例如救護(hù)車(chē)等接近的緊急車(chē)輛。即使是代表真正邁出自動(dòng)駕駛第一步的SAE Level 3級(jí)，也要求駕駛員在特定情況下隨時(shí)接管車(chē)輛，以確保車(chē)輛處于安全狀態(tài)。對(duì)緊急車(chē)輛逼近的檢測(cè)能力，可以使駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在視覺(jué)等其它傳感器之前盡早做出響應(yīng)，從而有更多的時(shí)間執(zhí)行安全操作。

語(yǔ)音拾取：捕捉來(lái)自車(chē)外的語(yǔ)音命令，可以使用戶在接近車(chē)輛或當(dāng)用戶手拿物品時(shí)毫不費(fèi)力地打開(kāi)汽車(chē)后備箱或車(chē)門(mén)。該應(yīng)用可以利用基于自然語(yǔ)音的用戶交互，取代“一腳踢”等不自然的動(dòng)作命令。這種語(yǔ)音交互，業(yè)界早已應(yīng)用于智能音箱、智能手機(jī)以及其它智能電子設(shè)備。

現(xiàn)有技術(shù)存在的挑戰(zhàn)

上述用例需要將MEMS麥克風(fēng)置于車(chē)輛外部以捕捉聲音。然而，傳統(tǒng)的MEMS麥克風(fēng)需要聲波穿過(guò)收音端口進(jìn)入傳感芯片來(lái)檢測(cè)聲音（如圖2a所示）。因此，封裝開(kāi)孔使其天然容易受到水、雪和灰塵等污染物的影響，這些污染物會(huì)阻擋聲學(xué)路徑，進(jìn)而影響麥克風(fēng)的正常工作。這種情況下，洗車(chē)這種常規(guī)操作都可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛需要進(jìn)店維修。傳統(tǒng)解決方案會(huì)采用某種形式的屏障（如膜）來(lái)保護(hù)聲學(xué)路徑，這增加了解決方案的成本和復(fù)雜性。并且，即使這樣，MEMS麥克風(fēng)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：傳統(tǒng)底部開(kāi)孔MEMS麥克風(fēng)（a）對(duì)比振動(dòng)傳感器（b）（來(lái)源：Knowles Electronics）

通過(guò)振動(dòng)感知聲音

高帶寬和低噪聲振動(dòng)傳感器為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)提供了一種可靠、高效的解決方案。振動(dòng)傳感器測(cè)量的是聲波撞擊車(chē)輛表面引起的振動(dòng)。振動(dòng)傳感器不需要任何開(kāi)孔或聲道，使其本體不易受到外部因素的影響，并且更容易集成。車(chē)身有多處金屬、塑料或玻璃面板，這些地方是利用這項(xiàng)技術(shù)的理想選擇。振動(dòng)傳感器可以安裝在車(chē)身的前后擋風(fēng)玻璃、門(mén)板、后視鏡和保險(xiǎn)杠等位置（如下圖所示），以拾取聲音引起的振動(dòng)。樓氏電子（Knowles Electronics）測(cè)試了其V2S振動(dòng)傳感器，并在感興趣的頻帶中實(shí)現(xiàn)了與普通MEMS麥克風(fēng)類(lèi)似的性能和信號(hào)捕獲。

圖3：振動(dòng)傳感器潛在最佳拾音位置（來(lái)源：Knowles Electronics）

測(cè)試結(jié)果

一般來(lái)說(shuō)，緊急車(chē)輛警笛依賴(lài)于500 Hz ~ 1.5 kHz之間的主音掃頻，大多數(shù)諧波功率集中在8 kHz以下。如圖4所示，將安裝在車(chē)門(mén)上的V2S200D警笛拾音器與參考MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行對(duì)比，顯示出兩個(gè)傳感器在最高8 kHz期望帶寬中的輸出匹配良好。樓氏電子將振動(dòng)傳感器安裝在車(chē)輛上的不同位置，并以不同行駛速度，進(jìn)行了緊急車(chē)輛檢測(cè)測(cè)試，也展示了有前景的測(cè)試結(jié)果。

圖4：警笛拾音：安裝在車(chē)門(mén)上的振動(dòng)傳感器對(duì)比MEMS麥克風(fēng)（來(lái)源：Knowles Electronics）

因此，憑借環(huán)境魯棒性和低系統(tǒng)集成成本，音頻振動(dòng)傳感器有望成為外部聲音檢測(cè)MEMS麥克風(fēng)的可行替代方案。

審核編輯：劉清