Une introduction aux tableaux de microphones MEMS
Les MEMS ou les systèmes micro-électro-mécaniques sont de minuscules appareils qui combinent des pièces électriques et mécaniques au niveau microscopique allant de quelques micromètres aux millimètres.Ces systèmes utilisent des capteurs, des actionneurs et de la microélectronique pour créer de petits dispositifs complexes grâce à la technologie de microfabrication.Au cœur de la technologie MEMS se trouve sa capacité à intégrer des éléments mécaniques comme les engrenages, les ressorts et les charnières avec des circuits électroniques sur une seule puce de silicium.En raison de cette intégration, les appareils MEMS peuvent sentir, contrôler et agir à l'échelle micro tout en communiquant à l'échelle macro.Cet article explore le rôle principal des MEMS dans divers domaines, de l'électronique grand public aux soins de santé.Les appareils MEMS ont changé les technologies traditionnelles avec des innovations comme les tableaux de microphones MEMS utilisés dans les voitures et les systèmes de télécommunications.
Catalogue
Figure 1: MEMS (systèmes microélectromécaniques)
Rôle des MEM dans la technologie moderne
La technologie MEMS est la demande dans de nombreuses industries car elle est flexible, petite, économe en énergie et rentable.Voici comment les MEM sont utilisés dans la technologie moderne:
Électronique grand public
Les MEMS sont utiles dans l'électronique grand public, permettant des fonctions telles que la détection de mouvement et la stabilisation d'image dans des appareils tels que les smartphones, les tablettes et les consoles de jeu.Les dispositifs MEMS courants dans ce domaine comprennent les gyroscopes et les accéléromètres.
Industrie automobile
Dans le secteur automobile, MEMS améliore à la fois la sécurité et la fonctionnalité.Ils sont utilisés dans les capteurs d'airbag, les systèmes de surveillance de la pression des pneus et les systèmes de contrôle de la stabilité des véhicules, contribuant à une amélioration de la sécurité et des performances.
Soins de santé
La technologie MEMS transforme les dispositifs médicaux.Les exemples incluent des dispositifs de laboratoire sur la puce pour les diagnostics, les systèmes d'administration de médicaments implantables et les outils chirurgicaux avancés qui permettent des procédures peu invasives.
Applications industrielles
Dans les environnements industriels, les capteurs MEMS surveillent les conditions comme la température, la pression et les vibrations.Cette surveillance prend en charge la maintenance prédictive et stimule l'efficacité du système.
Télécommunications
Les MEMS améliorent les systèmes de communication en améliorant les appareils tels que les commutateurs optiques et les condensateurs variables, bon pour gérer le routage des signaux et les performances du réseau.
Surveillance environnementale
Les capteurs basés sur MEMS surveillent les conditions environnementales, y compris la qualité de l'air et de l'eau, et détectent les gaz dangereux.Leur petite taille et leur efficacité les rendent adaptées au déploiement dans des endroits divers et souvent éloignés.
Figure 2: Device MEMS
Composition et fonctionnement des tableaux de microphones MEMS
Ci-dessous, nous nous plongeons dans la structure, les méthodes de traitement du son et les techniques de combinaison de signaux des réseaux de microphones MEMS.
Description de la structure du tableau
Les réseaux de microphones MEMS se composent de plusieurs microphones positionnés pour travailler ensemble.Chaque microphone est un petit appareil avec des composants mécaniques et électroniques, fabriqués à l'aide de techniques de fabrication de semi-conducteurs.Ces microphones convertissent le son en signaux électriques.
La configuration du tableau peut varier, disposée en motifs comme les formations linéaires, circulaires ou planes.Cette configuration influence la directionnalité et la sensibilité du tableau, lui permettant de capturer le son à partir de directions spécifiques tout en ignorant les autres.La sortie électrique combinée de ces tableaux est traitée pour former un seul signal audio de haute qualité.
Figure 3: Système de tableau des microphones MEMS
Comment les tableaux traitent le son
Le traitement sonore dans les réseaux de microphones MEMS implique l'amplification, le retard et le filtrage des signaux des microphones individuels.Chaque étape sert un objectif spécifique:
• L'amplification stimule les signaux faibles des microphones, ce qui les rend suffisamment forts pour un traitement ultérieur.
• Le retard de synchronise les sons capturés par différents microphones à différents moments en raison de leur séparation physique.Cette synchronisation est bonne pour la localisation du son et la forme de faisceau précises.
• Le filtrage améliore certaines fréquences tout en supprimant d'autres, selon la sortie souhaitée.Par exemple, il peut éliminer les fréquences de bruit à haute fréquence ou de stimulation importantes pour la clarté de la parole.
Figure 4: Arrays et son numérique
Le processus technique de combinaison des signaux
La combinaison des signaux dans les réseaux de microphones MEMS est un processus sophistiqué visant à améliorer les sons souhaités tout en réduisant le bruit de fond, appelé forage de faisceau.La formation de faisceau utilise la disposition des microphones et la synchronisation différentielle (retard) des ondes sonores pour concentrer la sensibilité du tableau sur la source sonore d'intérêt, minimisant les interférences à partir du bruit indésirable.
Ce processus consiste à calculer les poids pour la sortie de chaque microphone, déterminant combien chaque signal devrait contribuer à la sortie finale.Les poids s'ajustent en fonction de la direction des ondes sonores et de l'environnement acoustique.En combinant ces signaux pondérés, le tableau crée une focalisation directionnelle qui améliore la capture du son à partir de directions spécifiques tout en réduisant l'interférence.
Les techniques avancées de traitement du signal comme le filtrage adaptatif ajustent dynamiquement les paramètres de traitement en réponse aux modifications de l'environnement sonore.Cette adaptabilité permet aux réseaux de microphones MEMS de maintenir des performances optimales dans divers paramètres, des studios silencieux aux environnements de plein air bruyants.
Figure 5: tableaux de microphone MEMS
Importance du rapport signal / bruit (SNR)
Le rapport signal / bruit (SNR) est une mesure importante de la technologie audio.Il compare le niveau du signal souhaité au niveau de bruit de fond, exprimé en décibels (dB).Un SNR plus élevé signifie un signal audio plus clair avec moins de bruit, tandis qu'un SNR inférieur indique plus de bruit de fond, qui dégrade la qualité audio.
SNR a utilisé pour de nombreux appareils audio, des smartphones et des écouteurs aux équipements d'enregistrement professionnels.Dans les systèmes audio de haute qualité, un SNR élevé signifie que la sortie audio est très proche de l'enregistrement d'origine, avec un bruit de fond minimal.Ceci est utile dans l'enregistrement des studios car les petits bruits peuvent grandement affecter la qualité de l'audio.
Dans les systèmes de communication, le SNR nécessite pour plus de clarté.Par exemple, dans un environnement bruyant, un appareil avec un mauvais SNR produira un audio peu clair, ce qui rend difficile pour les utilisateurs de se comprendre.Par conséquent, le maintien d'un SNR élevé est un objectif principal dans la conception et le développement de technologies audio.
Figure 6: Ratio signal / bruit (SNR)
Comment les réseaux de microphones MEMS améliorent le SNR en réduisant le bruit indésirable
Forage de faisceau
Les réseaux de microphones MEMS améliorent le SNR par la formation de faisceau.Cette technique traite des signaux de plusieurs microphones pour créer une réponse directionnelle ciblée.En capturant le son à partir d'une direction spécifique et en minimisant le bruit des autres directions, la formation de faisceau est efficace dans les paramètres où la source sonore est fixe et connue, comme dans les haut-parleurs intelligents et les systèmes de conférence.
Annulation de bruit
Une autre méthode pour améliorer le SNR est l'annulation du bruit.En comparant les signaux audio de différents microphones dans le tableau, le système peut détecter et annuler le bruit indésirable, améliorant ainsi la clarté du signal souhaité.Cette fonctionnalité est utile dans l'électronique grand public souvent utilisée dans les espaces publics bruyants.
Filtrage spatial
Les réseaux de microphones MEMS excellent également dans le filtrage spatial, qui isole les sons à partir de divers endroits.Cela réduit non seulement le bruit de fond, mais améliore également la qualité globale de la capture audio.Ces capacités rendent les tableaux MEMS idéaux pour des environnements acoustiques complexes.
Tableaux de microphones à bord
Les réseaux de microphones à large est organisé en une ou deux dimensions, perpendiculairement à la source sonore.Cette configuration est efficace dans des environnements avec des directions sonores prévisibles, permettant au système de se concentrer sur les sons de l'avant tout en ignorant le bruit latéral.L'agencement physique garantit que tous les microphones reçoivent simultanément le son de la direction prévue, conduisant à une somme de signal constructive.Cependant, des sons provenant d'autres directions éprouvent des écarts de phase en raison de différents temps d'arrivée, entraînant une sommation plus faible et une production réduite.Cette configuration est idéale pour les appareils tels que les moniteurs d'ordinateur ou les écrans de télévision, améliorant l'expérience auditive en se concentrant sur les sons directement à partir de la zone d'affichage.
Figure 7: tableaux de microphones à côté
Tableaux de microphone Fire
Les réseaux de microphones de fiches de fin positionnent linéairement les microphones le long de la direction du son.Cette configuration profite des retards naturels dans la propagation du son, chaque microphone capturant le son à des intervalles légèrement retardés.Ces retards sont ajustés électroniquement pour synchroniser les signaux, améliorant la somme des sons souhaités.Les réseaux de feuD sont excellents pour isoler les sons de l'avant tout en réduisant les bruits des autres directions, y compris l'arrière.Cette mise au point directionnelle les rend adaptés aux appareils portables comme les microphones utilisés dans la parole en public ou les performances, où ils peuvent cibler des sources sonores spécifiques et les isoler à partir du bruit ambiant.
Figure 8: Tableaux de microphone à côté par rapport aux réseaux de microphones
Principes de travail des tableaux de microphones MEMS
Les réseaux de microphones MEMS (micro-électro-mécaniques) sont des dispositifs avancés combinant la technologie de microfabrication avec l'ingénierie du son pour capturer et traiter l'audio avec une haute précision.Ces tableaux fonctionnent en fonction de plusieurs fonctionnalités de base: capture du son, traitement du signal et réduction du bruit.
Capture du son à travers plusieurs microphones
Les réseaux de microphones MEMS utilisent plusieurs microphones distribués spatialement pour déguster l'environnement acoustique.Chaque microphone convertit les ondes sonores en signaux électriques, permettant au système de rassembler l'audio à partir de différentes directions.Cette configuration améliore la précision du tableau dans la détection de l'origine et des caractéristiques des sons.La distribution spatiale nécessite de capturer des tâches de champ sonore plus larges comme la localisation du son et la formation de faisceau.La forme de faisceau dirige la sensibilité du tableau à une source sonore spécifique tout en supprimant les autres.
Traitement du signal numérique (DSP)
Après avoir capturé le son, les signaux électriques de chaque microphone sont traités par un système DSP.Ce système est le centre de calcul des réseaux de microphones MEMS, où les données brutes sont analysées.Les algorithmes DSP synthétisent les signaux de plusieurs microphones pour créer une carte sonore cohésive.Time-time à chaque signal, le système peut déterminer avec précision la direction et la trajectoire du son dans l'espace.
Figure 9: Diagramme du bloc de traitement du signal numérique
Filtrage du bruit et amélioration du son
Le DSP améliore également la qualité de l'audio en filtrant le bruit de fond et en clarifiant le son souhaité.Des techniques telles que la suppression du bruit, l'annulation d'écho et le contrôle des gains sont utilisées pour améliorer la fidélité audio.Ces processus sont les meilleurs pour les applications nécessitant une reproduction sonore claire, telle que les systèmes de téléconférence, les aides auditives et les assistants vocaux des smartphones.
Types de microphones MEMS
Figure 10: MEMS Microphone omnidirectionnel
Microphone omnidirectionnel
Les microphones omnidirectionnels MEMS capturent le son uniformément de toutes les directions.Cela les distingue des microphones directionnels, qui se concentrent sur le son à partir de directions spécifiques.Les microphones omnidirectionnels MEMS utilisent de minuscules diaphragmes fabriqués avec la technologie MEMS.Ces diaphragmes détectent des ondes sonores de n'importe quelle direction et rendant les microphones très adaptables.Leur petite taille et leurs performances cohérentes permettent une intégration facile dans divers appareils.
Ces microphones excellent dans les paramètres où les sources sonores se déplacent ou proviennent de plusieurs directions.Par exemple, dans une salle de conférence, les gens peuvent parler de n'importe quelle direction autour de la table.Le microphone omnidirectionnel assure une capture vocale claire, améliorant la communication et l'enregistrement.
Les appareils à domicile intelligents, comme les assistants vocaux, doivent ramasser des commandes de n'importe où dans la pièce.De même, les systèmes de sécurité s'appuient sur ces microphones pour détecter les sons qui déclenchent des alertes, bénéficiant de leur capture sonore complète.
Figure 11: MEMS Microphone directionnel
Microphone directionnel
Les microphones directionnels des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) sont importants pour améliorer la clarté audio en se concentrant sur les sons à partir de directions spécifiques et en minimisant le bruit indésirable.Cette technologie utilise une gamme de minuscules microphones qui fonctionnent ensemble pour améliorer la sensibilité à une zone ciblée.Cette approche est utile dans les télécommunications et les aides auditives.
Dans les télécommunications, les microphones directionnels MEMS isolent et amplifient le son à partir de directions particulières, assurant des conversations claires malgré le bruit ambiant.Ceci est fonctionnel dans des endroits bruyants comme les rues animées ou les bureaux bondés.En se concentrant sur la voix de l'orateur et en découpent le bruit de fond, ces microphones offrent un audio plus clair et plus compréhensible, améliorant l'expérience utilisateur.
Les aides auditives avancées utilisent ces microphones pour se concentrer sur la source sonore principale auquel l'utilisateur est confronté, en s'adaptant aux modifications de l'environnement auditif pour maintenir des performances optimales.
Les microphones directionnels MEMS intègrent également des algorithmes de traitement des signaux sophistiqués.Ces algorithmes analysent le son sous différents angles et amplifient sélectivement les ondes sonores de la direction souhaitée.Cette technologie avancée améliore non seulement les performances des microphones, mais permet également l'intégration dans des appareils plus petits bons pour les gadgets miniaturisés comme les smartphones et les aides auditives.
Avantages
Les microphones MEMS omnidirectionnels et directionnels offrent des avantages uniques pour différentes situations.Les microphones directionnels excellent dans des environnements bruyants en isolant la principale source sonore, améliorant les performances des aides auditives.Les microphones omnidirectionnels sont meilleurs pour les paramètres calmes, capturant le son à partir de plusieurs directions, ce qui les rend adaptés aux systèmes de surveillance.Les aides auditives modernes combinent souvent les deux types, permettant des ajustements manuels ou automatiques pour s'adapter à des sons ambiants variés.
Caractéristiques des microphones MEMS numériques
Les microphones MEMS numériques fournissent des données dans un format de modulation de densité d'impulsion (PDM) de ½ cycle (PDM), nécessitant une synchronisation entre une entrée d'horloge (CLK) et une ligne de sortie de données (données).Une seule ligne de données est partagée entre deux microphones, désignés comme "gauche" ou "droite" en définissant la broche d'entrée L / R sur VDD ou terre.Ces appareils sont alimentés par des fournitures de 1,8 V ou 3,3 V.
En fonctionnement, le microphone "gauche" écrit des données sur le bord montant du CLK et la "droite" sur le bord de la chute.Si le microphone droit échoue ou est absent, le microphone gauche continue d'écrire des données sur le bord montant et passe à une impédance élevée sur les bords de chute.Cela fait que la ligne de données reflète uniquement la sortie du microphone gauche, entraînant une erreur car le DSP reçoit des données identiques pour les deux canaux.Pour éviter ces problèmes, nous avons besoin de tests approfondis.La fréquence d'horloge, allant de quelques centaines de kHz à 3 MHz, affecte la consommation d'énergie et la qualité de l'audio.De courtes distances de câble aident à maintenir l'intégrité du signal numérique et à minimiser les pertes en raison de câbles longs et à haute capacité.
Les multiples microphones MEMS
L'utilisation de plusieurs microphones MEMS dans des appareils améliore leurs capacités de capture audio.Plusieurs microphones travaillant ensemble améliorent le rapport signal / bruit (SNR), pour maintenir une qualité audio élevée dans des environnements bruyants comme les voitures ou pendant les appels mobiles.Les configurations multi-microphones prennent en charge les fonctionnalités avancées comme la formation de faisceau.
L'intégration de plusieurs microphones MEMS apporte également des défis de test et de validation.Les ingénieurs doivent effectuer des mesures multicanaux pour assurer l'alignement des phases et la synchronisation à travers le réseau de microphones.Pour améliorer la sortie audio, les algorithmes DSP ont besoin de tests précis.Les processus stricts et les équipements de test avancés garantissent que ces systèmes fonctionnent de manière fiable et produisent un son de haute qualité.
Conclusion
La technologie MEMS est une partie principale des innovations modernes, améliorant la qualité et la fonction de nombreux systèmes.Par exemple, les microphones MEMS améliorent l'audio dans l'électronique grand public et augmentent la sécurité dans les voitures.Ces appareils améliorent la clarté du signal, offrent un son de haute qualité et réduisent le bruit.La création de microphones Digital MEMS montre comment cette technologie évolue pour répondre aux besoins des appareils d'aujourd'hui avec précision, efficacité et fiabilité.Comme la technologie MEMS continue de progresser, elle continuera d'être importante pour améliorer les technologies actuelles et futures.
Questions fréquemment posées [FAQ]
1. Le tableau de microphone est-il un véritable microphone?
Oui, un réseau de microphones est en effet une collection de microphones réels.Il se compose de plusieurs unités de microphone placées pour capturer le son à partir de différentes directions.Cette configuration permet au tableau d'effectuer des tâches de traitement audio complexes comme la réduction du bruit et la directionnalité, améliorant la qualité de la capture du son par rapport à un seul microphone.
2. Quelle est la différence entre le mélange stéréo et le tableau des microphones?
Les termes «mix stéréo» et «tableau de microphones» se réfèrent à différents aspects de la manipulation du son.Un mélange stéréo est une fonctionnalité de la carte son d'un ordinateur qui combine toutes les entrées et sorties audio en une seule piste stéréo, vous permettant d'enregistrer ou de diffuser simultanément l'audio combiné à partir de diverses sources.D'un autre côté, un réseau de microphones implique plusieurs microphones travaillant ensemble pour enregistrer l'audio, souvent utilisé pour capturer des informations sonores spatiales et améliorer la qualité sonore en isolant la source audio à partir du bruit d'arrière-plan.
3. Le microphone MEMS est-il analogique ou numérique?
Les microphones MEMS (Systèmes microélectromécaniques) peuvent être analogiques ou numériques.Le type dépend du format de sortie du signal audio qu'ils produisent.Les microphones MEMS analogiques sortent les signaux audio sous forme d'ondes analogiques, nécessitant des circuits supplémentaires pour la conversion en signaux numériques.Les microphones MEMS numériques, cependant, incluent un circuit intégré qui convertit le son directement en un signal numérique, simplifiant la connectivité avec les appareils numériques.
4. Comment tester mon microphone MEMS?
Tester un microphone MEMS implique plusieurs étapes pour s'assurer qu'elle fonctionne correctement:
Vérification de la connectivité: Tout d'abord, assurez-vous que le microphone est correctement connecté à votre appareil de test (comme un ordinateur ou un analyseur).
Inspection visuelle: vérifiez tout dommage physique qui pourrait affecter les performances.
Test sonore: utilisez une source sonore standard ou parlez dans le microphone pour vérifier la clarté et le volume.Les outils logiciels ou les appareils de test audio dédiés peuvent aider à analyser la qualité sonore et à détecter des problèmes tels que la distorsion ou le bruit.
Tests fonctionnels: utilisez un logiciel de diagnostic pour exécuter des tests fonctionnels qui vérifient la réponse du microphone entre les différentes fréquences et niveaux sonores.
5. Quelle est la tension d'un microphone MEMS?
La tension de fonctionnement des microphones MEMS se situe entre 1,5 et 3,6 volts, selon le modèle et le fabricant spécifiques.Il est important de se référer à la fiche technique technique du modèle de microphone MEMS spécifique que vous utilisez pour confirmer la tension de fonctionnement correcte et s'assurer qu'elle correspond aux spécifications d'alimentation de votre application.