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各種應(yīng)用都使用麥克風(fēng)將音頻聲音轉(zhuǎn)換為電信號。MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)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(yīng)（也稱為束波），可濾除不需要的噪音，同時(shí)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(fēng)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(yīng)用。
MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)陣列可用于增強(qiáng)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(fēng)陣列時(shí)，會(huì)使用兩個(gè)或以上麥克風(fēng)收集音頻聲音，然后結(jié)合各個(gè)麥克風(fēng)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(huì)采用電子電路處理各個(gè)麥克風(fēng)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(qiáng)，而不必要的信號則會(huì)減弱。若要有效處理信號，陣列中使用的麥克風(fēng)必須具有緊密匹配的性能規(guī)格或者單獨(dú)表征規(guī)格性能。麥克風(fēng)的靈敏度是保證在陣列中實(shí)現(xiàn)良好匹配所需的首要參數(shù)。 MEMS 麥克風(fēng)借助半導(dǎo)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(fēng)陣列的理想選擇。
垂射麥克風(fēng)陣列
許多麥克風(fēng)應(yīng)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(fēng)陣列是垂直于所需聲源放置的一維或二維麥克風(fēng)陣列，可將各個(gè)麥克風(fēng)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(shí)到達(dá)麥克風(fēng)，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(dá)麥克風(fēng)的時(shí)間具有不同程度的延遲。通常，具有不同時(shí)間延遲的信號不會(huì)“順利”相加，會(huì)產(chǎn)生較低水平的電子信號。
計(jì)算機(jī)顯示器或電視屏幕的音頻接口就是垂射麥克風(fēng)陣列的良好應(yīng)用。由于用戶直接位于屏幕前方，因此陣列將會(huì)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(shí)施陣列。
端射麥克風(fēng)陣列
通過在所需聲源的方向布置一行麥克風(fēng)構(gòu)造端射麥克風(fēng)陣列，此時(shí)所需聲音會(huì)以不同的時(shí)間延遲到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)。每個(gè)麥克風(fēng)的處理電路都可以通過電子時(shí)間延遲補(bǔ)償麥克風(fēng)的音頻時(shí)間延遲。端射麥克風(fēng)陣列和垂射麥克風(fēng)陣列相似，因?yàn)閬碜运璺较虻男盘柲軌蚍e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(fēng)陣列都可以增強(qiáng)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(fēng)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(shí)際面向所需的聲音。手持式麥克風(fēng)是這種拓?fù)涞囊粋�(gè)很好的應(yīng)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(fēng)陣列應(yīng)用
MEMS麥克風(fēng)陣列還可用于確定聲音相對于陣列的方向。在本應(yīng)用的一種常見實(shí)現(xiàn)中，麥克風(fēng)會(huì)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(gè)麥克風(fēng)發(fā)出的所需信號，同時(shí)可以借助在各個(gè)麥克風(fēng)之間傳送的所需信號的相對時(shí)間延遲，確定相對于麥克風(fēng)陣列的聲音源。
聲音位置麥克風(fēng)陣列的常見應(yīng)用是警察和軍隊(duì)的射擊檢測。與麥克風(fēng)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(fēng)陣列和相關(guān)的電子電路可用于強(qiáng)化聲音的監(jiān)測。消費(fèi)電子應(yīng)用通常設(shè)計(jì)有二到十個(gè)麥克風(fēng)，以控制用戶的最終成本。在性能最重要的地方，會(huì)提供超過300個(gè)麥克風(fēng)的陣列，用于在整個(gè)音頻頻譜上提供緊密的三維空間分辨率。這些麥克風(fēng)陣列用于安全檢測和監(jiān)控等應(yīng)用。但是，只有采用特性良好匹配的麥克風(fēng)才能實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)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(fēng)成為麥克風(fēng)陣列應(yīng)用設(shè)計(jì)者的首選。 |
