用MEMS加速度计作为拾音器完美再现乐器音效

文章摘要：图6 ADXL330 MEMS加速度计声反馈 丹麦科学家Soren Larsen在上世纪20年代中期首次引入了全向电容式动态麦克风，是他最早发现了声反馈原理（称为Larsen效应）。对声学工程师来说，声反馈一直都是一个噩梦，很少有工程师能够完全控制它，特别是在任何演出现场都不可避免。甲壳虫乐队充分感受到了这种伪声的影响，继而在1964年决定将其添加到他们经典的专辑“I Feel Fine”的序曲中。随后摇滚乐界也开始像驯服野兽一样利用它，利用声音反馈在摇滚乐中增添了令人耳目一新的特色。而电吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，则故意地把吉他靠近扬声器来利用声反馈。随

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图6 ADXL330 MEMS加速度计

声反馈

丹麦科学家Soren Larsen在上世纪20年代中期首次引入了全向电容式动态麦克风，是他最早发现了声反馈原理（称为Larsen效应）。对声学工程师来说，声反馈一直都是一个噩梦，很少有工程师能够完全控制它，特别是在任何演出现场都不可避免。甲壳虫乐队充分感受到了这种伪声的影响，继而在1964年决定将其添加到他们经典的专辑“I Feel Fine”的序曲中。随后摇滚乐界也开始像驯服野兽一样利用它，利用声音反馈在摇滚乐中增添了令人耳目一新的特色。而电吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，则故意地把吉他靠近扬声器来利用声反馈。随着这种风潮的消退，声学工程师继续努力消除声反馈所引起的令人不适的听觉效果，特别是在现场演出过程中。在设备齐全并经过特殊声学处理的录音棚里，利用全向麦克风可以完美地录制乐器声音，几乎达到惊人的现场感和保真度。理解并珍惜这一点的艺术家一直都在孜孜不倦地寻求如何能够把这种效果重现在舞台上。虽然希望能够以录音棚一样的质量来录制现场演出一直都是音乐人的梦想，但这几乎是不可能的。即使在舞台上采用最好的音响设备，舞台也经过了极佳的声学设计，声音工程师也能精通地利用各种混响并可以拥有最佳的设备和工具，但要获得理想的音效仍然存在着一道难以逾越的障碍：那就是声反馈。
　　
拾音器

通过采用方向性麦克风通常可以把声反馈减到最小。某种程度上这种方法是有效的，不过需要调音工程师不停地调节，来适应舞台瞬息万变的特点。

 
利用拾音器可以对乐器声音进行放大。所采用的各种技术具有一定差异，但基本的原理都是直接感应乐器本身的震动，而并非感测空中的声波。这种做法的优点很明显，即拾音器几乎不会产生声反馈，原因是它们对空气中传递的声波不敏感。但这种方法也有许多不足：包括要在乐器上找到最佳的发声位置是极其困难的，压电拾音器的声学特性也远远算不上完美，它们的输出阻抗为高阻，故需要特殊的乐器输入或直驳盒。此外，体积也较大，会影响乐器本身的自然声学特性。

于是，这催生了轻质接触式麦克风的概念。假如我们采用一个表面式传感器来测量乐器本体的加速度，最好是具有单轴以上功能。这种传感器具有更好的线性度，重量轻，从而不会影响被测乐器的声音特性。还可以进一步假定这些传感器具有类似的输出电平、输出阻抗，以及功率需求与传统麦克风相当。简言之，就是设想音乐人只需将该传感器插入到麦克风前置放大器或混音器输入的位置，就像任何其他麦克风一样。
　　
接触式麦克风

用心的读者一定会注意到我们在前面已经提到了加速度的概念。人耳响应的是声压，故麦克风也被设计成声压感测功能。为了简化讨论，这里直接给出一个结论，即一个靠近震动体的声压与加速度成正比。问题是加速度计具有多高的带宽方可用作接触式麦克风？

 
为了研究清楚这个概念，我们将一个三轴加速度计贴装到吉他上作为一个拾音器。对乐器的震动进行测量，并与内置的压电拾音器以及靠近吉他的MEMS麦克风进行比较。所用的吉他为Fender Stratacoustic，带有内置的Fender拾音器。在重量很轻的柔性电路上贴装了一个模拟输出的MEMS加速度计，并用蜂蜡将其贴装到吉他的琴桥位置，如图7所示。加速度计的X轴与吉他弦线的方向一致，Y轴与吉他弦线垂直，而Z轴则与吉他表面垂直。把一个平坦频率响应达到15kHz的MEMS麦克风贴装到距弦线3英寸远的位置作为参考。

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利用该加速度计、内置的压电拾音器和MEMS麦克风各自录制了一段声音。图8给出了每个传感器的时域波形，这里没有对任何音段进行后处理。

 

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