Una introducción a la conformación de haces con micrófonos MEMS

La combinación de múltiples micrófonos MEMS en una matriz de conformación de haces brinda ventajas en estos dispositivos compactos, de bajo consumo y económicos para aplicaciones que requieren una respuesta direccional, como los sistemas de interacción de voz y equipo AV profesional.

Micrófonos y direccionalidad

Los micrófonos MEMSson fuertes, económicos y fáciles de integrar en casi cualquier aplicación debido a su tamaño pequeño y a su bajo consumo de energía. Su respuesta omnidireccional, igualmente sensible a los sonidos que provienen de cualquier dirección, es compatible con ciertas aplicaciones, como cuando se necesita que el micrófono incorporado capture el sonido proveniente de una dirección indeterminada o de una fuente en movimiento. Por otra parte, la omnidireccionalidad puede hacer que los sonidos no deseados o ambientales compitan con la fuente de sonido principal, lo que hace que el audio sea menos claro o difícil de oír.

Una matriz de conformación de haces con múltiples micrófonos MEMS puede superar esto al potenciar los sonidos provenientes de una cierta dirección y atenuar otros. Esto se logra al sumar las señales del micrófono, con técnicas de procesamiento de señal, como la inserción de retraso, la amplificación y el filtro para minimizar las señales de los sonidos no deseados. Las señales que representan la fuente de audio deseada se agregan juntas, mientras que las señales no deseadas se suman de manera incoherente y así se atenúan en relación con la señal principal. La Figura 1 muestra este método. El procesamiento de la señal puede ser bastante simple en caso de diseño cuidadoso, un conjunto básico de dos micrófonos.

Figura 1. Las matrices de micrófonos de conformación de haces potencian las señales deseadas en relación con el ruido ambiente. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Una matriz de conformación de haces básica puede contener tan solo dos micrófonos, lo que crea un instrumento que tiene un solo eje. Con un procesamiento de señal adecuado, se puede crear una antena de emisión transversal para maximizar las señales que resultan de los sonidos que vienen directamente del lado de la matriz, perpendicular al eje de los dos micrófonos. Alternativamente, se crea una antena de emisión longitudinal al optimizar la direccionalidad de los sonidos que se transmiten a lo largo del eje del micrófono.

En cada caso, es importante que los micrófonos en esta matriz hayan combinado bien la sensibilidad y respuesta de la frecuencia. Afortunadamente, esta es la fuerza clave de los micrófonos MEMS, debido a los procesos de fabricación a escala wafer utilizados durante su fabricación.

Antenas de emisión transversal

La Figura 2 muestra la antena de emisión transversal. El sonido de la dirección de la fuente preferida alcanza cada micrófono de manera simultánea y los resultados se suman para producir una señal de mayor magnitud. Las señales de sonido que provienen de otros ángulos se suman menos constructivamente.

En la práctica, la antena de emisión transversal es igualmente sensible a los sonidos que provienen de cualquier lado del eje principal. Es por esto que a menudo se utiliza en donde se espera que poco o ningún sonido no deseado provenga de atrás, arriba o abajo. Una aplicación típica es admitir la interacción de voz en un televisor o un monitor de PC, donde se espera que el usuario esté ubicado directamente frente a la pantalla y que los sonidos ambientales de la habitación provengan de cualquiera de los lados en lugar de atrás o arriba. La matriz del micrófono puede incorporarse a la carcasa de la pantalla, lo que permite una orientación transversal natural, y también es conveniente y no es demasiado visible.

Figura 2. La antena de emisión transversal es más sensible a fuentes de sonido localizadas perpendicularmente al eje del micrófono. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Antena de emisión longitudinal

Si las fuentes de audio desde atrás o del costado del micrófono no se atenúan, la antena de emisión longitudinal puede minimizar estas mientras potencia las señales de sonido directamente desde el frente de la matriz (Figura 3).

Figura 3. La antena de emisión longitudinal puede aislar el sonido directamente desde la parte de adelante del micrófono. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Como muestra el diagrama, el sonido deseado alcanza el primer micrófono y luego recorre una distancia conocida hasta el segundo. El procesamiento de la señal compensa el retraso conocido resultante y agrega las dos señales, lo cual produce un resultado mucho mayor. La suma de las señales de sonido provenientes de detrás de la matriz o desde fuera del eje produce un efecto mucho más pequeño.

Las aplicaciones típicas para las antenas de emisión longitudinal incluyen micrófonos de mano para televisión o radio que están diseñados para apuntar hacia la fuente, como un presentador o un orador, para capturar claramente la voz del orador y eliminar los ruidos de fondo.

Matrices esféricas y circulares

Una matriz de conformación de haces de, digamos, cuatro o más micrófonos, que se encuentran en el perímetro de un círculo (Figura 4) o en una orientación esférica, puede brindar señales que permiten algoritmos de procesamiento de señal más complejos para determinar la dirección en la que el sonido recibido se ha originado. Este tipo de matriz puede utilizarse para propósitos de recolección de inteligencia, incluso identificar el origen de disparos en aplicaciones militares y cuerpos de seguridad. Aquí, el procesamiento de la señal digital se aplica para reconocer el sonido de disparos, así como también para calcular un rumbo para ayudar a localizar la fuente.

Figura 4. Matrices más grandes pueden colaborar con funciones complejas, tales como la localización de la fuente del sonido. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Resumen

Los micrófonos MEMS tienen una respuesta omnidireccional y se los utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, especialmente, cuando las prioridades del diseño ofrecen confiabilidad, bajo consumo, un precio económico y un tamaño pequeño. Debido a que son hechos con procesos de fabricación de semiconductores, los parámetros, tales como la sensibilidad y la respuesta de la frecuencia pueden ser altamente combinados, lo que es un requerimiento importante cuando se construyen matrices de conformación de haces.

La conformación de haces trae las fortalezas de los micrófonos MEMS a las aplicaciones que requieren una respuesta direccional. Una matriz puede contener dos o más micrófonos y la señal de procesamiento se aplica a la salida de cada uno para alcanzar la respuesta direccional deseada. Las configuraciones básicas incluyen las antenas de emisión transversal y longitudinal, que cuentan con un procesamiento de señal relativamente simple. Las matrices más complejas incluyen matrices circulares o esféricas de detección de dirección, o matrices que incluyen unos pocos cientos de micrófonos para aplicaciones, como investigación o vigilancia de seguridad.