如何利用MEMS振动传感器实现汽车外部拾音？

汽车行业近些年正在经历一场巨变，越来越多的电子元器件正被集成到汽车之中，以提高驾驶员和乘客的安全性和舒适性。甚至，如今的汽车已经比几十年前的超级计算机，拥有更高的算力和功能。自动驾驶汽车现在似乎已经准备好走出PPT，进入现实世界。

这一转变很大一部分要归功于车辆中部署的大量传感器，它们被用于车辆以“看清”行车环境，帮助车载计算机创建对周围世界的感知。例如，摄像头、激光雷达、雷达以及超声波传感器等。到目前为止，传统的音频传感器在自动驾驶场景中的应用还非常有限。然而，一些用例正在兴起，例如紧急车辆检测和语音命令等，它们需要能够拾取车辆外部的声音，以补充其它传感器捕获的数据。

传统认为，MEMS麦克风如果用于这些目的会因为暴露于恶劣环境（如雪、灰尘、水和其它污染物）而容易发生故障。通过振动传感方式——一种替代声音拾取机制，有望提供一种新的解决方法，同时不会受到车辆应用恶劣环境的影响。此外，由于这类传感器封装形式是完全密封的，还能够降低集成复杂性。

新兴的汽车用例

车内拾音麦克风已经普及，其可以帮助车辆实现免提通话、语音命令以及主动降噪等多种用例。近年来，先进驾驶辅助系统（ADAS）的普及，以及车载信息娱乐系统的进步，为依靠车外声音拾取的新兴用例打开了大门，以进一步提高车辆安全性和舒适性。这些应用大体可以分为两类：环境感知和外部语音拾取。

环境感知：全面、高度的自动化驾驶（SAE Level 4级和Level 5级）要求车辆能够检测并响应动态行车环境，例如救护车等接近的紧急车辆。即使是代表真正迈出自动驾驶第一步的SAE Level 3级，也要求驾驶员在特定情况下随时接管车辆，以确保车辆处于安全状态。对紧急车辆逼近的检测能力，可以使驾驶员或自动驾驶系统在视觉等其它传感器之前尽早做出响应，从而有更多的时间执行安全操作。

语音拾取：捕捉来自车外的语音命令，可以使用户在接近车辆或当用户手拿物品时毫不费力地打开汽车后备箱或车门。该应用可以利用基于自然语音的用户交互，取代“一脚踢”等不自然的动作命令。这种语音交互，业界早已应用于智能音箱、智能手机以及其它智能电子设备。

现有技术存在的挑战

上述用例需要将MEMS麦克风置于车辆外部以捕捉声音。然而，传统的MEMS麦克风需要声波穿过收音端口进入传感芯片来检测声音（如图2a所示）。因此，封装开孔使其天然容易受到水、雪和灰尘等污染物的影响，这些污染物会阻挡声学路径，进而影响麦克风的正常工作。这种情况下，洗车这种常规操作都可能会导致车辆需要进店维修。传统解决方案会采用某种形式的屏障（如膜）来保护声学路径，这增加了解决方案的成本和复杂性。并且，即使这样，MEMS麦克风在实际应用中仍存在故障风险。

图2：传统底部开孔MEMS麦克风（a）对比振动传感器（b）（来源：Knowles Electronics）

通过振动感知声音

高带宽和低噪声振动传感器为应对上述挑战提供了一种可靠、高效的解决方案。振动传感器测量的是声波撞击车辆表面引起的振动。振动传感器不需要任何开孔或声道，使其本体不易受到外部因素的影响，并且更容易集成。车身有多处金属、塑料或玻璃面板，这些地方是利用这项技术的理想选择。振动传感器可以安装在车身的前后挡风玻璃、门板、后视镜和保险杠等位置（如下图所示），以拾取声音引起的振动。楼氏电子（Knowles Electronics）测试了其V2S振动传感器，并在感兴趣的频带中实现了与普通MEMS麦克风类似的性能和信号捕获。

图3：振动传感器潜在最佳拾音位置（来源：Knowles Electronics）

测试结果

一般来说，紧急车辆警笛依赖于500 Hz ~ 1.5 kHz之间的主音扫频，大多数谐波功率集中在8 kHz以下。如图4所示，将安装在车门上的V2S200D警笛拾音器与参考MEMS麦克风进行对比，显示出两个传感器在最高8 kHz期望带宽中的输出匹配良好。楼氏电子将振动传感器安装在车辆上的不同位置，并以不同行驶速度，进行了紧急车辆检测测试，也展示了有前景的测试结果。

图4：警笛拾音：安装在车门上的振动传感器对比MEMS麦克风（来源：Knowles Electronics）

因此，凭借环境鲁棒性和低系统集成成本，音频振动传感器有望成为外部声音检测MEMS麦克风的可行替代方案。

审核编辑：刘清