Mikrofony MEMS jsou robustní, cenově výhodné a snadno se integrují téměř do všech aplikací díky jejich malé velikosti a nízké spotřebě energie. Jejich všesměrová odezva, stejná citlivost na zvuky z libovolného směru vyhovuje situacím, kdy zvuk přichází z neurčitého směru nebo se zdroj zvuku pohybuje. Na druhou stranu, všesměrovost může způsobit komplikace, jelikož nežádoucí zvuky mohou přehlušit hlavní zdroj zvuku. Tím se výsledný zvuk stává méně jasným nebo obtížně slyšitelným.
Beamforming se používá k zesílení zvukového signálu z určitého směru a útlumu signálu z ostatních směrů. Toho se dosahuje sečtením signálů vstupujících do pole mikrofonů a použitím signálních procesů jako je zpoždění, zesílení a filtrování. Signály představující hlavní zvuk se sčítají, zatímco nežádoucí signály jsou zeslabeny na minimum vzhledem k hlavnímu signálu. Zpracování signálu může být jednoduché v případě použití dvou mikrofonů.
Obrázek 1: Beamforming zesiluje požadované signály vzhledem k šumu pozadí. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Základní pole pro beamforming může obsahovat jen dva mikrofony. Tím získáme nástroj s jednou osou. S vhodně zvolenou metodou pro zpracování signálu může být vytvořeno širokopásmové pole, které zesiluje signály, které přicházejí přímo ze strany - kolmo k ose dvou mikrofonů. Alternativně může být vytvořeno pole mikrofonů tak, aby byly zesíleny zvuky pohybující se podél osy mikrofonů.
V každém případě je důležité, aby mikrofony v poli měly stejnou citlivost a frekvenční odezvu. Toto je právě klíčová vlastnost mikrofonů MEMS.
Širokoúhlé pole
Obrázek 2 znázorňuje širokoúhlé pole. Zvuk z upřednostňovaného zdroje přichází ke každému mikrofonu současně a výstupy se sčítají, aby vytvořily větší signál. Zvukové signály přicházející z jiných úhlů nepřichází do obou mikrofonů současně, a je jejich součet menší.
V praxi je širokoúhlé pole stejně citlivé na zvuky přicházející z jedné ze dvou stran hlavní osy. Z tohoto důvodu se často používá tam, kde se očekává, že nežádoucí zvuk bude přicházet zezadu, nad nebo pod hlavní osou pole mikrofonů. Typická aplikace je mikrofon v televizoru nebo PC monitoru, kde se očekává, že uživatel bude přímo před obrazovkou a okolní zvuky v místnosti budou pravděpodobně pocházet z obou stran, nikoli zezadu. Pole mikrofonů může být zabudováno do krytu obrazovky. To umožňuje přirozenou orientaci na šířku a je také pohodlné a nenápadné.
Obrázek 2: Širokoúhlé pole je nejcitlivější na zdroje zvuku umístěné kolmo k ose mikrofonu. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
End-fire pole
Pokud mají být zdroje zvuku zezadu nebo z boku mikrofonu zeslabeny, pole mikrofonů v pozici End-fire tyto signály zeslabuje a zároveň zesiluje zvuky přicházející přímo před polem mikrofonů (obrázek 3).
Obrázek 3: End-fire pole mikrofonů izoluje zvuk přicházejícího přímo z přední strany mikrofonu. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Jak ukazuje obrázek, požadovaný zvuk přichází k prvnímu mikrofonu a pak cestuje známou vzdáleností k druhému. Zpracování signálu kompenzuje výsledné známé zpoždění, čímž vzniká mnohem větší výsledek. Sčítání zvukových signálů přicházejících zpoza pole nebo mimo osu vytváří mnohem menší efekt.
Typické aplikace pro End-fire pole jsou ruční mikrofony, které jsou určeny k nasměrování na zdroj pro jasné zachycení hlasu a odstranění šumu na pozadí. Toho se využívá u mikrofonů pro televizní moderátory.
Kruhová a sférická pole
Beamforming čtyř nebo více mikrofonů, umístěných na obvodu kruhu (obrázek 4) nebo ve sférické orientaci umožňuje použít složitější algoritmy pro zpracování signálu pro určení směru, kde se nachází požadovaný zvuk. Tento typ pole se používá pro speciální účely, jako jsou odposlechy, zpravodajské služby, identifikace původu střelby ve vojenských aplikacích. Zpracování digitálního signálu se zde používá k rozpoznání zvuku střelby a z jaké zbraně se střílelo a také k výpočtu polohy, kde byl výstřel proveden.
Obrázek 4: Větší pole umožňují komplexní funkce, jako je nalezení zdroje zvuku. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Závěr
Mikrofony MEMS mají všesměrovou odezvu a používají se v široké škále aplikací. Zejména tam, kde je kladen důraz na náklady, spolehlivost, malou velikost a nízkou spotřebu energie. Při výrobě MEMS mikrofonů se používají stejné výrobní procesy jako u výroby polovodičů, a proto mají stejnou citlivost a frekvenční odezvu. To je klíčovým parametrem pro beamforming.
Beamforming využívá silné stránky MEMS mikrofonů v aplikacích, které vyžadují směrovou odezvu. Pole může obsahovat dva nebo více mikrofonů a zpracování signálu se aplikuje na výstup každého z nich, aby se dosáhlo požadované směrové odezvy. Mezi základní konfigurace patří širokopásmová a End-fire pole, která mají relativně jednoduché zpracování signálu. Komplexnější pole jsou kruhová nebo sférická obsahující čtyři až několik stovek mikrofonů. Toto uspořádání se používá pro výzkum nebo bezpečnostní dohled.
Článek vyšel v originále „An Introduction to Beamforming with MEMS Microphones“ na webu DigiKey.com, autorem je Bruce Rose
