Понимание чувствительности микрофона

Чувствительность , отношение аналогового выходного напряжения или цифрового выходного значения к входному давлению, является ключевой характеристикой любого микрофона. Сопоставление единиц в акустической области с единицами в электрической области определяет величину выходного сигнала микрофона при известном входе.

В этой статье будет обсуждаться различие в характеристиках чувствительности аналоговых и цифровых микрофонов, как выбрать микрофон с наилучшей чувствительностью для приложения и почему добавление небольшого (или большего) цифрового усиления может улучшить сигнал микрофона.

Аналоговый или цифровой

Чувствительность микрофона обычно измеряется с помощью синусоидальной волны 1 кГц при уровне звукового давления (SPL) 94 дБ или давлении 1 паскаль (Па). Величина аналогового или цифрового выходного сигнала микрофона с этим входным стимулом является мерой его чувствительности. Эта контрольная точка — лишь одна из характеристик микрофона, но отнюдь не вся история его работы.

Чувствительность аналогового микрофона очевидна и понятна. Обычно указывается в логарифмических единицах дБВ (децибелах по отношению к 1 В), это говорит о том, сколько вольт будет выходной сигнал для данного SPL. Для аналогового микрофона чувствительность в линейных единицах мВ/Па может быть логарифмически выражена в децибелах:

где OutputAREF — это эталонный выходной коэффициент 1000 мВ/Па (1 В/Па).

Учитывая это информации, с соответствующим коэффициентом усиления предусилителя, уровень сигнала микрофона можно легко согласовать с желаемым входным уровнем остальной схемы или системы. На рисунке 1 показано, как пиковое выходное напряжение микрофона (V MAX ) может быть установлено для соответствия полномасштабному входному напряжению АЦП (V IN ) с коэффициентом усиления. из V IN /V MAX . Например, ADMP504 с максимальным выходным напряжением 0,25 В может быть согласован с АЦП с полномасштабным пиковым входным напряжением 1,0 В, используя коэффициент усиления 4 (12 дБ).

Чувствительность цифровых микрофонов в единицах дБFS (децибелах по отношению к полной цифровой шкале) не так проста. Разница в единицах измерения указывает на тонкий контраст в определении чувствительности цифровых микрофонов по сравнению с чувствительностью аналоговых микрофонов. Для аналогового микрофона с выходом напряжения единственным ограничением размера выходного сигнала является практический предел источников напряжения системы. Несмотря на то, что не может быть практичными для большинства конструкций, не существует никаких физических причин, почему аналоговый микрофон не может иметь чувствительности 20 д, с выходными сигналом 10 В для входного сигнала опорного уровня. Эта чувствительность может быть достигнута, если усилители, преобразователи и другие схемы могут поддерживать требуемые уровни сигнала..

Чувствительность цифрового микрофона менее гибкая; это зависит от одного проектного параметра, максимальной акустической мощности . Пока полномасштабное цифровое слово сопоставляется с максимальным акустическим входом микрофона (на самом деле это единственное разумное сопоставление), чувствительность должна быть просто разницей между этим максимальным акустическим сигналом и 94 Опорный уровень звукового давления в дБ. Таким образом, если максимальное звуковое давление цифрового микрофона составляет 120 дБ, его чувствительность будет равна –26 дБ полной шкалы (94–120 дБ). Невозможно изменить конструкцию, чтобы увеличить цифровой выходной сигнал для данного акустического входа, если только максимальный акустический вход не будет уменьшен на ту же величину.

Для цифровых микрофонов чувствительность измеряется как процент полномасштабного выходного сигнала, который генерируется входным уровнем звукового давления 94 дБ. Для цифрового микрофона уравнение преобразования выглядит следующим образом

, где Выход DREF — это полномасштабный цифровой выходной уровень.

Последний очень запутанный элемент этого сравнения — непоследовательное использование пиковые и среднеквадратичные уровни между цифровыми и аналоговыми микрофонами. Уровни акустического входа микрофона в дБ SPL всегда являются измерениями среднеквадратичного значения , независимо от типа микрофона. Выход аналоговых микрофонов привязан к среднеквадратичному значению 1 В, поскольку измерения среднеквадратичного значения чаще используются для сравнения уровней аналогового аудиосигнала. Однако чувствительность и выходной уровень цифровых микрофонов даны как пиковые уровни, потому что они относятся к полномасштабному цифровому слову, которое является пиковым значением. В общем, это соглашение об использовании пиковых уровней для определения выхода цифровых микрофонов необходимо учитывать при настройке обработки нисходящего сигнала, которая может полагаться на точные уровни сигнала. Например, процессоры динамического диапазона (компрессоры, лимитеры и шумоподавители) обычно устанавливают пороговые значения на основе среднеквадратичных уровней сигнала, поэтому выходной сигнал цифрового микрофона необходимо масштабировать от пикового до среднеквадратичного за счет уменьшения значения dBFS. Для синусоидального входа среднеквадратичный уровень составляет 3 дБ (логарифмическая мера (FS√2) ниже пикового уровня; эта разница между среднеквадратичным и пиковым значением может быть различной для более сложных сигналов. Например, ADMP421, микрофон MEMS с Цифровой выход с модуляцией плотностью импульсов (PDM), имеет чувствительность –26 дБ полной шкалы. Синусоидальный входной сигнал с уровнем звукового давления 94 дБ даст пик -26 дБ полной шкалы выходной уровень или уровень –29 дБFS среднеквадратичное .

Поскольку на выходах цифровых и аналоговых микрофонов единицы измерения разные, сравнение одного типа с другим может сбивать с толку ; однако они имеют общую единицу измерения в акустической области, SPL . Один может иметь аналоговый выход напряжения, другой — выход модулированного PDM, а третий — I 2 S, но их максимальный акустический вход и отношение сигнал/шум (SNR, разница между эталонным уровнем звукового давления 94 дБ и уровнем шума) можно напрямую сравнить. Обращаясь к акустической области, а не к выходному формату, эти две спецификации предоставляют удобный способ сравнения различных микрофонов. На рис. 2 показана взаимосвязь между акустическим входным сигналом и выходными уровнями аналоговых и цифровых микрофонов для данной чувствительности. На рисунке 2 (а) показан аналоговый микрофон ADMP504, который обеспечивает чувствительность –38 дБВ и отношение сигнал/шум 65 дБ. Изменение его чувствительности относительно контрольной точки 94 дБ SPL слева приведет к сдвигу полосы выходного сигнала дБВ вверх для уменьшения чувствительности или вниз для увеличения чувствительности.

На рисунке 2 (b) показан цифровой микрофон ADMP521 с чувствительностью –26 дБ полной шкалы и соотношением сигнал/шум 65 дБ. Эта иллюстрация сопоставления уровней вход-выход для цифрового микрофона показывает, что чувствительность этого микрофона не может быть отрегулирована без нарушения сопоставления между максимальным акустическим входом и полномасштабным цифровым словом. Такие характеристики, как SNR, динамический диапазон, отклонение от источника питания и THD, являются лучшими индикаторами качества микрофона, чем чувствительность.

Выбор чувствительности и установка усиления

Высокочувствительный микрофон не всегда лучше, чем микрофон с низкой чувствительностью. Чувствительность кое-что говорит о характеристиках микрофона, но не обязательно о его качестве . Баланс между уровнем шума микрофона, точкой отсечения, искажениями и чувствительностью определяет, подходит ли микрофон для конкретного применения. Микрофону с высокой чувствительностью может потребоваться меньшее усиление предусилителя перед аналого-цифровым преобразованием, но у него может быть меньше запаса перед обрезкой, чем у микрофона с более низкой чувствительностью.

В приложениях ближнего поля, например как и в сотовых телефонах, где микрофон находится близко к источнику звука, микрофон с более высокой чувствительностью с большей вероятностью достигнет максимального акустического входа, клипа и вызовет искажения. С другой стороны, более высокая чувствительность может быть желательна в приложениях с дальним полем, таких как конференц-телефоны и камеры видеонаблюдения, где звук ослабляется по мере увеличения расстояния от источника до микрофона. На рисунке 3 показано, как расстояние микрофона от источника звука может повлиять на уровень звукового давления. Уровень акустического сигнала уменьшается на 6 дБ (наполовину) при каждом увеличении расстояния от источника вдвое.

Для справки, на рисунке 4 показан типичный SPL различных источников звука, от тихих студий звукозаписи (ниже 10 дБ SPL) до порога боли (выше 130 дБ SPL), точки, в которой звук вызывает боль. для среднего человека. Микрофоны редко могут покрывать весь или даже большую часть этого диапазона, поэтому выбор правильного микрофона для требуемого диапазона звукового давления является важным дизайнерским решением.. Спецификация чувствительности должна использоваться для согласования уровня выходного сигнала микрофона в интересующем динамическом диапазоне с общим уровнем сигнала цепи аудиосигнала.

Аналоговые микрофоны имеют широкий диапазон чувствительности. Некоторые динамические микрофоны могут иметь чувствительность до –70 дБВ. Некоторые модули конденсаторных микрофонов имеют встроенные предусилители, поэтому они имеют очень высокую чувствительность –18 дБВ. Большинство аналоговых электретных микрофонов и микрофонов MEMS имеют чувствительность от –46 дБВ до –35 дБВ (от 5,0 мВ/Па до 17,8 мВ/Па). Этот уровень является хорошим компромиссом между минимальным уровнем шума, который может составлять всего 29 дБ SPL для МЭМС-микрофонов ADMP504 и ADMP521, и максимальным акустическим входом, который обычно составляет около 120 дБ SPL. Чувствительность аналогового микрофона можно настроить в схеме предусилителя, которая часто интегрируется в корпус с преобразователем.

Несмотря на кажущуюся негибкость чувствительности цифрового микрофона, уровень сигнала микрофона может быть изменен. легко настраивается с усилением в цифровом процессоре. При цифровом усилении нет опасности ухудшения уровня шума сигнала, пока процессор имеет достаточное количество битов для полного представления динамического диапазона исходного микрофонного сигнала. В аналоговой схеме каждый каскад усиления вносит в сигнал некоторый шум; Разработчик системы должен убедиться, что каждый каскад усиления достаточно тихий, чтобы подаваемый шум не ухудшал звуковой сигнал. В качестве примера мы можем рассмотреть ADMP441, цифровой (I 2 S) выходной микрофон с максимальным уровнем звукового давления 120 дБ (чувствительность –26 дБ полной шкалы) и эквивалентным входным шумом 33 дБ. SPL (61 дБ SNR). Динамический диапазон микрофона — это разница между максимальным (максимальный уровень звукового давления) и минимальным (минимальный уровень шума) сигналами, которые он может точно воспроизвести (120 дБ — 33 дБ = 87 дБ для ADMP441). Этот динамический диапазон можно воспроизвести с помощью 15-битового слова данных. Сдвиг данных в цифровом слове на 1 бит приводит к сдвигу уровня сигнала на 6 дБ, поэтому даже 16-битный аудиопроцессор с динамическим диапазоном 98 дБ может использовать усиление или затухание на 11 дБ раньше исходного динамического диапазона. скомпрометирован. Обратите внимание, что во многих процессорах максимальный акустический вход цифрового микрофона сопоставлен с внутренним полномасштабным уровнем DSP. В этом случае добавление любой величины усиления уменьшает динамический диапазон на равную величину и снижает точку ограничения системы. Используя ADMP441 в качестве примера, добавление 4 дБ усиления в процессоре без запаса по мощности выше полной шкалы приведет к тому, что система будет ограничивать сигнал звукового давления 116 дБ.

На рисунке 5 показан цифровой микрофон, с выходом I 2 S или PDM, подключенным напрямую к DSP. В этой сигнальной цепи не требуется промежуточный каскад усиления, поскольку пиковый выходной уровень микрофона уже соответствует входному слову полной шкалы DSP.

Заключение

В этой статье объяснялось, как понять спецификацию чувствительности микрофона, как применить ее к каскаду усиления системы и почему, хотя чувствительность связана с SNR, не является показателем качества микрофона в отличие от SNR. Независимо от того, используется ли при разработке аналоговый или цифровой микрофон MEMS, это должно помочь разработчику выбрать лучший микрофон для приложения и получить от этого устройства максимальную производительность.

Я приглашаю вас прокомментировать чувствительность микрофона в сообществе Analog Dialogue на EngineerZone.

Ссылки

1 John Eargle , «Микрофонная книга», Elsevier/Focal Press, 2004 г.

Оцените статью
motary.ru
Добавить комментарий