Eine Einführung in MEMS-Mikrofonarrays

14. Mai 2019 verfasst von Bruce Rose

Eine Einführung in MEMS-Mikrofonarrays

Mikrofone werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, um Audiotöne in elektrische Signale umzuwandeln. MEMS-Mikrofone, die eine omnidirektionale Direktaktivität bieten, erfassen Töne aus allen Richtungen. Leider enthalten die in die elektrischen Signale umgewandelten Töne oft unerwünschte Geräusche neben den Tönen, die von Interesse sind. Deshalb können Arrays von MEMS-Mikrofonen und die zugehörige Elektronik eingesetzt werden, um die Qualität des ermittelten Tons zu verbessern. Diese Arrays sind so konzipiert, dass sie eine richtungsweisende Antwort erzeugen, die auch als Beamforming bezeichnet wird. Hierdurch werden unerwünschte Geräusche herausgefiltert und der Ton aus gewünschten Richtungen wird verarbeitet. In diesem Blog-Beitrag werden die Grundlagen der MEMS-Mikrofonarrays behandelt, darunter ihre Funktionsprinzipien, gemeinsamen Konfigurationen und typischen Anwendungen.

  1. MEMS-Mikrofonarrays – Übersicht
  2. Breitseiten-Mikrofonarrays
  3. Endfire-Mikrofonarrays
  4. Zusätzliche MEMS-Mikrofonarray-Anwendungen
  5. Fazit
  6. Hilfreiche Ressourcen

MEMS-Mikrofonarrays – Übersicht

Das Verhältnis des gewünschten Tons (Signals) zu den unerwünschten Geräuschen (Rauschen) wird als Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise-Ratio, SNR) bezeichnet. Ein MEMS-Mikrofonarray kann verwendet werden, um den gewünschten Ton zu verbessern und die unerwünschten Geräusche zu reduzieren und somit das SNR des Systems zu verbessern.

Diagramm, das schlechte und verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis-Wellenformen zeigt
Vergleich schlechter und verbesserter Signal-Rausch-Verhältnis-Wellenformen

Beim Konstruieren eines MEMS-Mikrofonarrays werden zwei oder mehr Mikrofone verwendet, um Audiotöne zu erfassen. Die elektrischen Signale der beiden Mikrofone werden kombiniert, um ein daraus resultierendes elektrisches Signal zu erzeugen. Elektronische Schaltungen werden verwendet, um die Signale der beiden Mikrofone zu verarbeiten (Verstärkung, Verzögerung, Filter usw.), bevor die Signale kombiniert werden. Durch die elektrische Verarbeitung werden die gewünschten Signale verbessert und die unerwünschten Signale abgeschwächt. Für die Signalverarbeitung müssen die im Array verwendeten Mikrofone entweder eng abgeglichene Leistungsspezifikationen aufweisen oder individuell für die Leistung entsprechend der Spezifikation charakterisiert werden. Die Empfindlichkeit der Mikrofone ist der Hauptparameter, der im Array gut angepasst werden muss. Dank der Halbleiterherstellungsverfahren sind MEMS-Mikrofone leicht mit fest abgestimmten Empfindlichkeitstoleranzen erhältlich. Daher sind sie die ideale Lösung für Mikrofonarrays.

Breitseiten-Mikrofonarrays

Viele Mikrofonanwendungen haben eine spezifische Quelle für den gewünschten Ton. Aus diesem Grund kann „Zuhören“ in dieser Richtung und „Ignorieren“ von Tönen aus anderen Richtungen das SNR des Systems verbessern. Breitseiten-Mikrofonarrays sind ein- oder zweidimensionale Anordnungen von Mikrofonen, die senkrecht zur Quelle des gewünschten Tons platziert sind. Die Signale der einzelnen Mikrofone werden addiert, um das gewünschte elektrische Signal zu erzeugen. Töne, die aus einer Richtung senkrecht zum Array stammen, werden gleichzeitig an den Mikrofonen ankommen und werden somit in der elektronischen Verarbeitung konstruktiv addiert. Töne, die aus einer anderen Richtung als senkrecht zum Array stammen, kommen an den Mikrofonen mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen an. Im Allgemeinen lassen sich die Signale mit den unterschiedlichen Zeitverzögerungen nicht so „passend“ addieren und erzeugen ein elektronisches Signal von einem geringeren Niveau.

Eine Audioschnittstelle zu einem Computer-Monitor oder TV-Bildschirm ist eine gute Anwendung eines Breitseiten-Mikrofonarrays. Das Array wird in derselben Ebene wie die Anzeige konstruiert, da sich der Benutzer direkt vor dem Bildschirm befindet. Darüber hinaus kann das Array innerhalb der Bautiefe der vorhandenen Anzeige implementiert werden.

Diagramm einer typischen Breitseiten-Mikrofonarray-Konfiguration
Typische Breitseiten-Mikrofonarray-Konfiguration

Endfire-Mikrofonarrays

Ein Endfire-Mikrofonarray wird durch Anordnen der Mikrofone in einer Reihe in Richtung der gewünschten Tonquelle konstruiert, wobei der gewünschte Ton bei jedem Mikrofon mit einer anderen Zeitverzögerung eintrifft. Der Verarbeitungsschaltkreis für die einzelnen Mikrofone kann eine elektronische Zeitverzögerung verwenden, um die Audiozeitverzögerung der Mikrofone auszugleichen. Endfire-Mikrofonarrays sind den Breitseiten-Mikrofonarrays ähnlich, bei denen die Signale aus der gewünschten Richtung auf eine konstruktive Weise addiert werden. Doch Signale aus Richtungen, die nicht der gewünschten Richtung entsprechen, addieren sich zu einem niedrigeren Wert.

Während sowohl Breitseiten- als auch Endfire-Mikrofonarrays die Klangerfassung entlang der gewünschten Achse verbessern und andere Geräuschquellen dämpfen, erfasst das Breitseitenarray den Ton vor und hinter dem Mikrofonarray auf gleich gute Weise. Ein Endfire-Array erfasst nur Töne vor dem Array und dämpft das Rauschen auf der Rückseite des Arrays und aus allen anderen Richtungen. Es muss auch bautechnisch auf den Ton ausgerichtet sein. Ein Handheld-Mikrofon ist eine gute Anwendung für diese räumliche Struktur. Das Gerät kann direkt auf die Person, die spricht (oder singt) gerichtet werden, und nur dieses Signal wird erfasst.

Diagramm einer typischen Endfire-Mikrofonarray-Konfiguration
Typische Endfire-Mikrofonarray-Konfiguration

Zusätzliche MEMS-Mikrofonarray-Anwendungen

MEMS-Mikrofonarrays können auch dazu verwendet werden, die Richtung eines Tons relativ zum Array zu bestimmen. Bei einer häufigen Realisierung dieser Anwendung werden Mikrofone auf dem Umfang eines Kreises oder einer Kugel platziert. Die elektronische Signalverarbeitung dient dazu, das gewünschte Signal jedes Mikrofons zu identifizieren, während die relative Zeitverzögerung des gewünschten Signals zwischen den einzelnen Mikrofonen dazu dient, die Quelle des Tons relativ zum Mikrofonarray zu bestimmen.

Eine häufige Anwendung der Tonlokalisations-Mikrofonarrays ist die Schusserkennung durch die Polizei und das Militär. Die mit dem Mikrofonarray verbundenen digitalen Signalverarbeitungs-Schaltungen (Digital Signal Processing, DSP) können die Merkmale eines Schusses aus anderen Geräusche unterscheiden und dann die Richtung bestimmen, aus der die Waffe abgefeuert wurde.

Diagramm eines Tonlokalisations-Erkennungsarrays
Beispiel eines Tonlokalisations-Erkennungsarrays

Fazit

Arrays von MEMS-Mikrofonen und die zugehörigen elektronischen Schaltungen können dazu verwendet werden, die Überwachung von Tönen zu verbessern. Verbraucherelektronik-Anwendungen werden gewöhnlich mit zwei bis zehn Mikrofonen entwickelt, um die endgültigen Kosten für den Benutzer in Grenzen zu halten. Wenn die Leistung von primärer Bedeutung ist, stehen Arrays mit mehr als 300 Mikrofonen zur Verfügung, um eine enge dreidimensionale räumliche Auflösung über das gesamte Audiospektrum bereitzustellen. Diese Mikrofonarrays werden in Anwendungen wie Sicherheitserkennung und -überwachung eingesetzt. Die Implementierung von Mikrofonarrays erfordert allerdings Mikrofone mit gut abgestimmten Eigenschaften. Aus diesem Grund sind MEMS-Mikrofone mit ihren niedrigen Kosten und engen Empfindlichkeitstoleranzen die bevorzugte Wahl für Entwickler von Mikrofonarray-Anwendungen.

Hilfreiche Ressourcen

Vollständige CUI-Produktlinie der MEMS-Mikrofone
Informationen über die Unterschiede zwischen ECM- und MEMS-Mikrofonen
Analog oder digital? Auswählen der richtigen MEMS-Mikrofonschnittstelle

Haben Sie irgendwelche Kommentare bezüglich dieses Beitrags oder Themen, die wir in der Zukunft besprechen sollten? Senden Sie eine E-Mail an cuiinsights@cui.com


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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