Un'introduzione al beamforming con microfoni MEMS

La combinazione di più microfoni MEMS in un array di beamforming offre i vantaggi intrinseci di questi dispositivi compatti, economici e a basso consumo per le applicazioni che richiedono una risposta direzionale, ad esempio i sistemi di interazione vocale e le apparecchiature AV professionali.

Microfoni e direzionalità

I microfoni MEMS sono robusti, economici e, grazie alle loro dimensioni contenute e al basso consumo energetico, facili da integrare in quasi tutte le applicazioni. La loro risposta omnidirezionale, sensibile in modo eguale ai suoni provenienti da qualsiasi direzione, è idonea per alcune applicazioni in cui, ad esempio, è richiesto un microfono fisso per catturare il suono proveniente da una direzione indeterminata o da una sorgente in movimento. Ma l'omnidirezionalità può far sì che i suoni ambientali o indesiderati entrino in competizione con la sorgente di rumore principale, rendendo l'audio meno chiaro o ostacolandone l'ascolto.

Un array di beamforming che contiene diversi microfoni MEMS può ovviare a questo problema amplificando i suoni provenienti da una certa direzione e attenuando gli altri. Per ottenere questo risultato, somma i segnali dei singoli microfoni utilizzando tecniche di elaborazione come l'inserimento di un ritardo, l'amplificazione e il filtraggio per ridurre al minimo i segnali provenienti da suoni indesiderati. I segnali che rappresentano la sorgente audio desiderata vengono sommati insieme, mentre quelli indesiderati si sommano in modo incoerente e vengono di conseguenza attenuati rispetto al segnale principale. Il metodo è illustrato nella Figura 1. L'elaborazione dei segnali può essere abbastanza semplice nel caso di un array di due microfoni di base che sia stato progettato con cura.

Figura 1: Gli array di microfoni beamforming amplificano i segnali desiderati rispetto al rumore di fondo. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Un array di beamforming di base può contenere anche solo due microfoni, dando origine a uno strumento che ha un solo asse. Con un'adeguata elaborazione dei segnali, è possibile realizzare un array broad-side per massimizzare i segnali derivanti dai suoni che provengono direttamente dal lato dell'array, perpendicolarmente all'asse dei due microfoni. In alternativa, si può creare un array end-fire ottimizzando la direzionalità dei suoni che viaggiano lungo l'asse del microfono.

In entrambi i casi, è importante che i microfoni dell'array abbiano una sensibilità e una risposta in frequenza strettamente correlate. Fortunatamente, grazie ai processi di fabbricazione simili a quelli dei wafer utilizzati durante la produzione, questo è un punto di forza dei microfoni MEMS.

Array broad-side

La Figura 2 illustra l'array broad-side. Il suono proveniente dalla direzione della sorgente preferita arriva contemporaneamente a ogni microfono e le uscite vengono sommate per produrre un segnale più forte. I segnali di suoni che provengono da altre angolazioni si sommano in modo meno coerente.

In pratica, l'array broad-side è sensibile allo stesso modo ai suoni provenienti da entrambi i lati dell'asse principale. Per questo motivo viene spesso utilizzato dove non si prevede l'arrivo di suoni indesiderati da dietro, sopra o sotto, oppure dove si prevede che siano molto pochi. In genere è finalizzato al supporto dell'interazione vocale in un televisore o in un monitor per PC, dove ci si aspetta che l'utente si trovi davanti allo schermo e che i suoni ambientali nella stanza provengano da entrambi i lati piuttosto che da dietro o da sopra. L'array di microfoni è comodo e discreto e può essere integrato nell'involucro dello schermo, per un orientamento broad-side naturale.

Figura 2: L'array broad-side è molto sensibile alle sorgenti di rumore poste perpendicolarmente all'asse del microfono. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Array end-fire

Se occorre attenuare le sorgenti audio da dietro o accanto al microfono, l'array end-fire può ridurle al minimo e amplificare i segnali sonori provenienti direttamente dal lato frontale dell'array (Figura 3).

Figura 3: L'array end-fire può isolare il suono proveniente direttamente dal lato frontale del microfono. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Come illustrato nello schema, il suono desiderato arriva al primo microfono e viaggia per una distanza nota fino al secondo. L'elaborazione dei segnali compensa il ritardo noto risultante e somma i due segnali, producendo un risultato molto più grande. La somma dei segnali sonori provenienti da dietro l'array o fuori asse produce un effetto molto più piccolo.

Le tipiche applicazioni degli array end-fire includono microfoni portatili per la televisione o la radio che devono essere puntati verso la sorgente - ad esempio un presentatore o un oratore - per catturarne chiaramente la voce ed eliminare i rumori di fondo.

Array circolari e sferici

Un array di beamforming di quattro o più microfoni, ad esempio, posti lungo il perimetro di un cerchio (Figura 4) o con un orientamento sferico, può fornire segnali che consentono algoritmi di elaborazione più complessi per determinare la direzione dell'origine del suono ricevuto. Questo tipo di array può essere utilizzato, fra le altre cose, per la raccolta di informazioni, compresa l'identificazione dell'origine degli spari in applicazioni militari o delle forze dell'ordine. In questo caso, l'elaborazione dei segnali digitali viene applicata per riconoscere il suono degli spari e calcolare la direzione per aiutare a localizzare la sorgente.

Figura 4: Gli array più grandi possono supportare funzioni complesse come la localizzazione di una sorgente di rumore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Riepilogo

I microfoni MEMS hanno una risposta omnidirezionale e vengono scelti per numerose applicazioni, specie laddove le priorità di progettazione includono costi contenuti, affidabilità, dimensioni ridotte e basso consumo energetico. Essendo realizzati con i processi di fabbricazione dei semiconduttori, è possibile correlare strettamente parametri come la sensibilità e la risposta in frequenza, un requisito importante quando si costruiscono array di beamforming.

Il beamforming porta i punti di forza dei microfoni MEMS alle applicazioni che richiedono una risposta direzionale. Un array può contenere due o più microfoni e l'elaborazione dei segnali viene applicata all'uscita di ognuno di essi per ottenere la risposta direzionale desiderata. Le configurazioni di base includono array di tipo broad-side ed end-fire che presentano un'elaborazione dei segnali relativamente semplice. Degli array più complessi fanno parte quelli circolari o sferici per la ricerca della direzione, oppure array che possono essere costituiti da un numero di microfoni variabile da poche a diverse centinaia di unità, per applicazioni come la ricerca o la sorveglianza a fini di sicurezza.