Een inleiding op beamforming met MEMS-microfoons

Door meerdere MEM-microfoons te combineren in een beamforming-array komen de inherente voordelen van deze compacte, energiezuinige en kosteneffectieve apparaten beschikbaar voor toepassingen die een op richting gebaseerde respons vereisen, zoals spraak-interactiesystemen en professionele AV-apparatuur.

Microfoons en richtinggevoeligheid

MEMS-microfoons zijn robuust en kosteneffectief en zijn, dankzij hun compacte afmetingen en lage stroomverbruik, gemakkelijk in vrijwel iedere toepassing te integreren. Hun omnidirectionele respons, die hen in gelijke mate gevoelig maakt voor geluiden uit elke richting, is bijzonder geschikt voor bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld wanneer er een vaste microfoon nodig is om geluid uit een onbepaalde richting of van een bewegende bron op te vangen. Aan de andere kant kan deze omnidirectionele respons ertoe leiden dat omgevingsgeluid of ongewenste geluiden de hoofdgeluidsbron verstoren waardoor de audio minder duidelijk of moeilijk hoorbaar wordt gemaakt.

Een beamforming-array met meerdere MEMS-microfoons kan dit probleem overwinnen door geluiden uit een bepaalde richting te versterken en andere geluiden te verzwakken. Dit wordt bereikt door de microfoonsignalen bij elkaar op te tellen met behulp van signaalverwerkingstechnieken zoals toevoeging van vertraging, versterking en filtering om de signalen van ongewenste geluiden te minimaliseren. De signalen van de gewenste audiobron worden bij elkaar opgeteld, terwijl de ongewenste signalen niet coherent kunnen worden opgeteld waardoor ze worden verzwakt ten opzichte van het hoofdsignaal. Afbeelding 1 illustreert deze methode. De signaalverwerking kan in het geval van een zorgvuldig ontworpen, basisarray met twee microfoons betrekkelijk eenvoudig zijn.

Afbeelding 1: beamforming microfoon-arrays versterken gewenste signalen ten opzichte van achtergrondgeluid. (Bron afbeelding: Same Sky)

Een basale beamforming-array kan ook uit slechts twee microfoons bestaan, waardoor een instrument met een enkele as wordt gecreëerd. Met passende signaalverwerking kan een broadside-array worden gecreëerd om de signalen van geluiden, die rechtstreeks van de kant van de array komen, loodrecht op de as van de twee microfoons, te maximaliseren. Als alternatief kan een endfire-array worden gecreëerd door de richtingsgevoeligheid voor geluiden, die zich langs de as van de microfoon verplaatsen, te optimaliseren.

Het is in elk geval belangrijk dat de microfoons in de array een onderling nauw afgestemde gevoeligheid en frequentierespons hebben. En dat is nou net het sterkste punt van MEMS-microfoons, dankzij de wafel-schaal fabricageprocessen die worden gebruikt om ze te produceren.

Broadside-arrays

Afbeelding 2 illustreert de broadside-array. Geluid uit de richting van de voorkeursbron komt gelijktijdig aan op elke microfoon en de uitvoeren worden opgeteld om een signaal van grotere omvang te produceren. Geluidssignalen die onder andere hoeken arriveren worden op minder constructieve wijze opgeteld.

In de praktijk is de broadside-array even gevoelig voor geluiden die van weerszijden van de hoofdas komen. Om deze reden wordt dit systeem vaak gebruikt als er weinig tot geen ongewenst geluid van achter, boven of onder wordt verwacht. Een typische toepassing is de ondersteuning van spraakinteractie op een televisiescherm of pc-monitor, waarbij wordt verwacht dat de gebruiker zich direct voor het scherm bevindt en omgevingsgeluiden uit de kamer waarschijnlijk van beide zijden zullen komen, en niet van achter of boven. De microfoon-array kan in de behuizing van het scherm worden ingebouwd, wat een natuurlijke oriëntatie in de breedte mogelijk maakt en bovendien handig en onopvallend is.

Afbeelding 2: de broadside-array is het gevoeligst voor geluidsbronnen die zich loodrecht op de microfoonas bevinden. (Bron afbeelding: Same Sky)

Endfire-arrays

Als geluidsbronnen van achter of naast de microfoon moeten worden verzwakt, kan de endfire-array deze minimaliseren terwijl de geluidssignalen die van recht voor de array komen worden versterkt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: de endfire-array kan geluid, dat van recht voor de microfoon komt, isoleren. (Bron afbeelding: Same Sky)

Zoals het schema laat zien, arriveert het gewenste geluid bij de eerste microfoon en legt vervolgens een bekende afstand af tot aan de tweede microfoon. De signaalverwerking compenseert de hieruit voortvloeiende bekende vertraging en telt de twee signalen op, waardoor een veel groter resultaat wordt geproduceerd. Het optellen van geluidssignalen die van achter de array komen of die zich buiten de as verplaatsen levert een veel kleiner effect op.

Typische toepassingen voor endfire-arrays zijn onder meer handmicrofoons voor televisie of radio die in de richting van de geluidsbron worden gehouden – bijvoorbeeld een presentator of speaker – om de stem van de spreker duidelijk op te vangen en achtergrondgeluiden te elimineren.

Cirkel- en kogelvormige arrays

Een beamforming-array van, laten we zeggen, vier of meer microfoons die op de omtrek van een cirkel zijn gesitueerd (Afbeelding 4) of een kogelvormige configuratie hebben, kunnen signalen opleveren die meer complexe signaalverwerkingsalgoritmen in staat stellen om de richting, waaruit een ontvangen geluid afkomstig is, te bepalen. Dit type array kan worden gebruikt voor doeleinden zoals informatieverzameling, bijvoorbeeld om de herkomst van geweerschoten te identificeren in militaire toepassingen of openbare ordehandhaving. Hier wordt digitale signaalverwerking toegepast om het geluid van geweerschoten te herkennen en een richting te berekenen om te helpen de bron te lokaliseren.

Afbeelding 4: grotere arrays kunnen complexe functies ondersteunen, zoals het lokaliseren van een geluidsbron. (Bron afbeelding: Same Sky)

Samenvatting

MEMS-microfoons hebben een omnidirectionele respons en worden voor uiteenlopende toepassingen gebruikt, vooral als kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid, een compact formaat en een laag stroomverbruik tot de ontwerpprioriteiten behoren. Aangezien ze worden gemaakt met behulp van halfgeleiderfabricageprocessen, kunnen parameters zoals gevoeligheid en frequentierespons nauwkeurig op elkaar worden afgestemd, wat een belangrijke vereiste is bij het bouwen van beamforming-arrays.

Beamforming maakt de sterke punten van MEMS-microfoons beschikbaar voor toepassingen die richtingsrespons vereisen. Een array kan twee of meer microfoons bevatten en er wordt signaalverwerking op de uitgang van elke microfoon toegepast om de gewenste richtingsrespons te verkrijgen. Basisconfiguraties zijn onder meer broadside- en endfire-arrays die zich onderscheiden door een relatief eenvoudige signaalverwerking. Meer complex arrays zijn onder meer richting-bepalende cirkel- of kogelvormige arrays, of arrays die een handvol tot meerdere honderden microfoons kunnen bevatten voor toepassingen als onderzoeks- of beveiligingssurveillance.