用MEMS加速度計作為拾音器完美再現樂器音效

MEMS（微機電系統）傳感器在汽車、手機、個人電腦、相機等各種應用中屢見不鮮，但是直到現在，這類傳感器還未用于吉他領域。本文作者將探究以下問題的答案：如何采用MEMS加速度計作為聲學傳感器。
　　
MEMS加速度計技術

典型的MEMS加速度計的核心單元是一個由兩組指狀柵條組成的可移動條形結構：其中一組固定到襯底上，而另一組則安裝到一組彈簧上的質量塊上，該彈簧能夠根據所施加的力產生移動，改變固定柵條與移動柵條之間的電容（見圖1）。

圖1 MEMS加速度計的結構

MEMS結構（見圖2）通常采用單晶硅制成，或者采用以極高的溫度沉積到單晶硅晶圓表面上的多晶硅。采用這一靈活的技術可以制成機械特性差異很大的結構。彈簧剛度、感測元件的質量以及結構阻尼都可以通過設計進行控制和改變，從而實現可感應從零點幾個g到數百個g的帶寬高達20kHz的傳感器。

圖2 ADXL50 MEMS加速度計結構的顯微圖

MEMS感測單元可以與同一芯片（見圖3）或者不同芯片上（見圖4）的信號調理電路相連。對于單芯片解決方案而言，感測單元的電容可以低至1～2fF，相當于aF范圍的量測分辨率。在雙芯片結構中，MEMS單元的電容必須足夠高，以便能夠克服MEMS與ASIC調理電路之間連接線的寄生電容效應。

圖3 ADXL202 ±2g加速度計

圖4 典型雙芯片加速度計的橫截面圖

作為震動測量傳感器的加速度計

使用震動感測傳感器作為樂器中的拾音器，這并不是一個新的概念。壓電式以及電磁式傳感器是目前許多拾音器應用的基礎。微型MEMS加速度計的尺寸小、外形薄，因此不會在樂器中產生機械或質量負荷效應，這使得它們對于這些應用極具吸引力；但是由于商用加速度傳感器的帶寬極低，這類加速度計的應用到目前為止一直都受到限制。

加速度計技術方面的一些最新突破性進展使得具有非常高帶寬但又非常小的加速度計實現了量產。ADI公司采用5mm×5mm×2mm封裝尺寸的ADXL001（見圖5）高g（±70～±500g）單軸加速度計的帶寬就已經達到22kHz。這款產品可以通過檢測設備聲學特性的變化來確定電機或其他工業設備的“健康”狀況。不過，這種特殊傳感器要用作樂器的聲學震動傳感器還不夠靈敏。理想的聲學傳感器需要測量所有3個軸向上的響應，而它卻只能感應單軸運動。然而目前已經證明，采用MEMS技術已經能夠實現全音頻帶寬內的加速度傳感器。

圖5 ADXL001的頻率響應曲線

低g加速度計可以測量低至千分之一g級的加速度，但帶寬一般被限制在5kHz左右。這一限制的原因可能是需要很高帶寬的商業應用太少（主要的應用包括人的運動或者重力引起的加速度檢測），故業界缺乏足夠的動力去開發特別適用于音頻頻段測量的傳感器。

三軸加速度計具有三個獨立的輸出，能夠測量沿笛卡兒坐標系中X、Y、Z軸方向的加速度。舉例來說，ADI公司的ADXL330三軸低g加速度計在X軸以及Y軸上具有高達6kHz的帶寬，而在Z軸上的帶寬約為1kHz。雖然還不夠理想，但這個帶寬已經使得該器件可以獲取音頻頻段上的有用信息。其輸出為模擬信號，故很容易用于標準的錄音設備。由于其尺寸小于4mm×4mm×1.45mm（見圖6），因此該傳感器可以放入極小的空間中，在響應被測系統時不會產生質量負荷或者其他改變。下面將介紹這款低g加速度計如何用作吉他的拾音器。

圖6 ADXL330 MEMS加速度計

聲反饋

丹麥科學家Soren Larsen在上世紀20年代中期首次引入了全向電容式動態麥克風，是他最早發現了聲反饋原理（稱為Larsen效應）。對聲學工程師來說，聲反饋一直都是一個噩夢，很少有工程師能夠完全控制它，特別是在任何演出現場都不可避免。甲殼蟲樂隊充分感受到了這種偽聲的影響，繼而在1964年決定將其添加到他們經典的專輯“I Feel Fine”的序曲中。隨后搖滾樂界也開始像馴服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂中增添了令人耳目一新的特色。而電吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，則故意地把吉他靠近揚聲器來利用聲反饋。隨著這種風潮的消退，聲學工程師繼續努力消除聲反饋所引起的令人不適的聽覺效果，特別是在現場演出過程中。在設備齊全并經過特殊聲學處理的錄音棚里，利用全向麥克風可以完美地錄制樂器聲音，幾乎達到驚人的現場感和保真度。理解并珍惜這一點的藝術家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現在舞臺上。雖然希望能夠以錄音棚一樣的質量來錄制現場演出一直都是音樂人的夢想，但這幾乎是不可能的。即使在舞臺上采用最好的音響設備，舞臺也經過了極佳的聲學設計，聲音工程師也能精通地利用各種混響并可以擁有最佳的設備和工具，但要獲得理想的音效仍然存在著一道難以逾越的障礙：那就是聲反饋。
　　
拾音器

通過采用方向性麥克風通常可以把聲反饋減到最小。某種程度上這種方法是有效的，不過需要調音工程師不停地調節，來適應舞臺瞬息萬變的特點。

利用拾音器可以對樂器聲音進行放大。所采用的各種技術具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂器本身的震動，而并非感測空中的聲波。這種做法的優點很明顯，即拾音器幾乎不會產生聲反饋，原因是它們對空氣中傳遞的聲波不敏感。但這種方法也有許多不足：包括要在樂器上找到最佳的發聲位置是極其困難的，壓電拾音器的聲學特性也遠遠算不上完美，它們的輸出阻抗為高阻，故需要特殊的樂器輸入或直駁盒。此外，體積也較大，會影響樂器本身的自然聲學特性。

于是，這催生了輕質接觸式麥克風的概念。假如我們采用一個表面式傳感器來測量樂器本體的加速度，最好是具有單軸以上功能。這種傳感器具有更好的線性度，重量輕，從而不會影響被測樂器的聲音特性。還可以進一步假定這些傳感器具有類似的輸出電平、輸出阻抗，以及功率需求與傳統麥克風相當。簡言之，就是設想音樂人只需將該傳感器插入到麥克風前置放大器或混音器輸入的位置，就像任何其他麥克風一樣。
　　
接觸式麥克風

用心的讀者一定會注意到我們在前面已經提到了加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風也被設計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結論，即一個靠近震動體的聲壓與加速度成正比。問題是加速度計具有多高的帶寬方可用作接觸式麥克風？

為了研究清楚這個概念，我們將一個三軸加速度計貼裝到吉他上作為一個拾音器。對樂器的震動進行測量，并與內置的壓電拾音器以及靠近吉他的MEMS麥克風進行比較。所用的吉他為Fender Stratacoustic，帶有內置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路上貼裝了一個模擬輸出的MEMS加速度計，并用蜂蠟將其貼裝到吉他的琴橋位置，如圖7所示。加速度計的X軸與吉他弦線的方向一致，Y軸與吉他弦線垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。把一個平坦頻率響應達到15kHz的MEMS麥克風貼裝到距弦線3英寸遠的位置作為參考。
利用該加速度計、內置的壓電拾音器和MEMS麥克風各自錄制了一段聲音。圖8給出了每個傳感器的時域波形，這里沒有對任何音段進行后處理。

圖7  貼裝在Fender Stratacoustic吉他上的加速度計

圖8 采用不同傳感器的時域波形

圖9所示為在上述時域波形的一個波峰上所測得的壓電拾音器的FFT頻譜。結果顯示響應中具有較強的低音分量。確實，實際的音頻文件中都較多地具有豐富的低音響應。這種聲音比較悅耳（還取決于個人偏好），因為腔體諧振能夠產生比從樂器上直接聽到的更豐富的低音。

 圖9  壓電拾音器的FFT頻譜

MEMS麥克風的輸出則非常平坦，樂聲的重現效果非常好。其音質非常自然，均衡較好，逼真度高。與壓電拾音器相同時間點上測得的FFT頻譜如圖10A所示。作為參考，圖10B則給出了MEMS麥克風的頻率響應。

 圖10A   MEMS麥克風的FFT頻譜

圖10B   MEMS麥克風的頻率響應

MEMS加速度計的輸出非常有意思。目前其缺點包括本底噪聲過高，在音軌的開始和末尾都能聽到，且Z軸帶寬明顯限制到較低的頻率。每個軸向上的聲音再現也明顯不同。

X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調上有可分辨出的明顯差異。正如預期，Z軸上的聲音明顯地主要為低音。圖11給出了X軸（A）、Y軸（B）以及Z軸上的頻譜（C）。

圖11a  MEMS加速度計X軸輸出

圖11b  MEMS加速度計Y軸輸出

圖11c  MEMS加速度計Z軸輸出

如果將X、Y和Z軸混合到一起，即可實現樂聲的較好重現，具有一定的明晰度。通過對混音環節進行調節，可以實現音調平衡變化，達到自然的樂聲重現。由于目前加速度計的帶寬限制，更大范圍的高頻諧波丟失了，但聲音重現仍然驚人地逼真。
　　
結語

MEMS加速度計技術在樂器的拾音應用方面具有明顯的潛力，特別是那些為聲反饋問題困擾的現場應用。一個體積非常小、低功耗的MEMS器件可以貼裝到樂器上任何不顯眼的位置，而且不會影響樂器的自然震動特性。