1. 前言
我們生活中處處可以見(jiàn)到麥克風(fēng)的身影，耳機(jī)、話(huà)筒、手機(jī)、智能音箱……但有小伙伴就問(wèn)了，不同的應(yīng)用那該咋選麥克風(fēng)呢，該關(guān)注哪些性能參數(shù)呢？那今天我們就來(lái)聊聊麥克風(fēng)的那些事兒吧

2. 麥克風(fēng)簡(jiǎn)介
麥克風(fēng)是將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電話(huà)、語(yǔ)音識(shí)別、音樂(lè)錄制等場(chǎng)合。麥克風(fēng)可以將聲音的變化通過(guò)特定的機(jī)制轉(zhuǎn)換為電壓或者電流的變化，再交給電路系統(tǒng)進(jìn)行處理。由此可見(jiàn)，麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器執(zhí)行的是相反的過(guò)程。
根據(jù)不同的聲電轉(zhuǎn)換機(jī)制，麥克風(fēng)分為不同的類(lèi)型，包括動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)、電容式麥克風(fēng)和壓電式麥克風(fēng)等。由于輸出信號(hào)比較微弱，一般麥克風(fēng)都會(huì)配合前置放大器（Preamplifier）一起使用，再與后端電路連接。

3. 麥克風(fēng)分類(lèi)
根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換方式的不同，麥克風(fēng)大致分為以下 7 類(lèi)：
（1）動(dòng)態(tài)麥克風(fēng) Dynamic Microphone

原理：聲音擾動(dòng)圓錐體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電磁感應(yīng)在線(xiàn)圈上產(chǎn)生電壓的變化；
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單緊固、易于小型化、不需額外供電、不易過(guò)載（失真）；
缺點(diǎn)：靈敏度不如駐極體麥克風(fēng)、頻響和瞬態(tài)響應(yīng)不夠好、多數(shù)不可以調(diào)整方向性；
（2）帶狀麥克風(fēng) Ribbon Microphone

原理：聲音擾動(dòng)磁場(chǎng)中金屬帶，通過(guò)電磁感應(yīng)在金屬帶兩端產(chǎn)生電壓變化；
優(yōu)點(diǎn)：音質(zhì)效果好、雙向響應(yīng)效果好、瞬態(tài)響應(yīng)好；
缺點(diǎn)：脆弱易損、輸出靈敏度小、高聲壓易造成損壞；
（3）電容式麥克風(fēng) Condenser Microphone

原理：聲音擾動(dòng)改變金屬膜板與背板的距離，引起膜板和背板間電容 C 的變化，電容器上存儲(chǔ)的電荷 Q 也會(huì)隨著變化，進(jìn)而在電阻 R 上產(chǎn)生電壓的變化，由此完成聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、頻響特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好；
缺點(diǎn)：脆弱、需要外部供電、對(duì)濕度敏感、內(nèi)部可能過(guò)載（失真）；
（4）駐極體麥克風(fēng) Electret Condenser Microphone

原理：駐極體麥克風(fēng)原理類(lèi)似電容式麥克風(fēng)，聲音影響金屬隔膜與背板距離，電容器上的電荷變化在電阻上產(chǎn)生電壓的變化，由此完成聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。ECM 的金屬隔膜是永久性的含電荷材料，因此在使用中不必需要額外的偏置電源，但 ECM 的頻率響應(yīng)特性不如電容式麥克風(fēng)；
駐極體麥克風(fēng)因其低成本小型化的特點(diǎn)，在手持設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)部集成 FET 前置放大器的駐極體麥克風(fēng)可以提供很高的性能。下圖為電容式麥克風(fēng)（a）和駐極體麥克風(fēng)（b）的電路的對(duì)比示意圖，其中虛線(xiàn)框內(nèi)代表麥克風(fēng)本體部分。

典型的駐極體麥克風(fēng)內(nèi)部如下圖所示，駐極體麥克風(fēng)的電容不需要外部供電，但是場(chǎng)效應(yīng)管需要供電。麥克風(fēng)輸出通過(guò)大容值電容 AC 耦合到前置放大器。上拉電阻 R 決定麥克風(fēng)的輸出阻抗，并決定場(chǎng)效應(yīng)管緩沖器的偏置電壓；

（5）MEMS 麥克風(fēng) MEMS Microphone
MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）麥克風(fēng)也稱(chēng)麥克風(fēng)芯片或者硅麥克風(fēng)。通過(guò) MEMS 工藝將傳感膜片直接附著在硅片上，一般 MEMS 麥克風(fēng)都集成前置放大器。在 MEMS 麥克風(fēng)中，又分為電容式和壓電式兩種。壓電式比電容式更新。數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)芯片內(nèi)部集成 ADC，直接輸出數(shù)字信號(hào)，PDM 是最常見(jiàn)的數(shù)字麥克風(fēng)接口方式。
（6）晶體/壓電麥克風(fēng) Crystal Microphone /Piezo Microphone

原理：利用某些材料的壓電效應(yīng)——即聲音造成材料的變形產(chǎn)生電壓的變化。如上圖所示，晶體麥克風(fēng)的膜片連接到壓電晶體，膜片的振動(dòng)會(huì)造成晶體形變，從而在端子上產(chǎn)生電壓（電流）信號(hào)；
優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固耐用、信噪比高、啟動(dòng)時(shí)間更短、防水防塵性能好；
（7）炭粒麥克風(fēng) Carbon Microphone

原理：金屬隔板之間填塞炭顆粒，聲壓作用于隔板，炭粒的振動(dòng)引起金屬隔板之間阻抗的變化。聲壓越大，金屬隔板距離越近，則阻抗越小，反之阻抗越大。由此完成聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。炭粒麥克風(fēng)是最早期的麥克風(fēng)，如今已很少使用；

4. 麥克風(fēng)性能參數(shù)
（1）指向性 Directionality
麥克風(fēng)的指向性，即麥克風(fēng)對(duì)于不同方向聲音的響應(yīng)能力是不同的。麥克風(fēng)的指向性與麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)原理有關(guān)，常見(jiàn)有全向型、八字型和心型，如下表所示。在曲線(xiàn)上各點(diǎn)施加同樣聲壓，麥克風(fēng)會(huì)產(chǎn)生相同大小的輸出。

方向性描述麥克風(fēng)的靈敏度隨聲源空間位置的改變而變化的模式。將全向麥克風(fēng)集成到手機(jī)等較大的機(jī)殼中后，系統(tǒng)的方向響應(yīng)可能不是全向的。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，與定向響應(yīng)的麥克風(fēng)相比，利用全向麥克風(fēng)能夠更靈活地設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)聲學(xué)輸入的響應(yīng)。
（2）靈敏度 Sensitivity
麥克風(fēng)的靈敏度是指其輸出端對(duì)于給定標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)輸入的電氣響應(yīng)。用于麥克風(fēng)靈敏度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入信號(hào)為 94 dB 聲壓級(jí)或 1 帕的 1 kHz 正弦波。對(duì)于固定的聲學(xué)輸入，靈敏度值高的麥克風(fēng)比靈敏度值低的麥克風(fēng)輸出的電信號(hào)幅度高。麥克風(fēng)靈敏度通常是負(fù)值，因此，靈敏度越高，其絕對(duì)值越小。
務(wù)必注意麥克風(fēng)靈敏度參數(shù)的單位。如果兩個(gè)麥克風(fēng)的靈敏度不是采用同一單位來(lái)規(guī)定，那么直接比較靈敏度值是不恰當(dāng)?shù)?。模擬麥克風(fēng)的靈敏度通常用 dBV 來(lái)規(guī)定，即相對(duì)于 1.0 Vrms 的比值（dB）。數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度通常用 dBFS 來(lái)規(guī)定，即相對(duì)于滿(mǎn)量程數(shù)字輸出（FS）的比值（dB）。對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，滿(mǎn)量程（全“1”）是麥克風(fēng)輸出數(shù)字編碼可以表征的最大值。
靈敏度指輸入壓力與電氣輸出（電壓）的比值。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，靈敏度通常用 mV/Pa 來(lái)衡量，其結(jié)果可通過(guò)下式轉(zhuǎn)換為 dB 值。

其中 OutputREF 為 1 V/Pa（1000 mV/Pa）。
對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，靈敏度表示為 94 dB SPL 輸入所產(chǎn)生的輸出占滿(mǎn)量程輸出的百分比。數(shù)字麥克風(fēng)的換算公式為以下表達(dá)。

其中 OutputREF 為滿(mǎn)量程數(shù)字輸出水平（全“1”）。
較高的靈敏度并不總是意味著麥克風(fēng)的性能更佳。麥克風(fēng)的靈敏度越高，則它在典型條件（如交談等）下的輸出水平與最大輸出水平之間的裕量通常也越小。在近場(chǎng)（近距離談話(huà)）應(yīng)用中，高靈敏度的麥克風(fēng)可能更容易引起失真，這種失真常常會(huì)降低麥克風(fēng)的整體動(dòng)態(tài)范圍。
（3）信噪比 SNR
信噪比表示參考信號(hào)與麥克風(fēng)輸出的噪聲水平的比值。這種測(cè)量包括麥克風(fēng)元件和 MEMS 麥克風(fēng)封裝中集成的 ASIC 二者所貢獻(xiàn)的噪聲。SNR 為噪聲水平與標(biāo)準(zhǔn) 1 kHz、94 dB SPL 參考信號(hào)的 dB 差。要計(jì)算 SNR，須在安靜、消聲環(huán)境下測(cè)量麥克風(fēng)的噪聲輸出。該參數(shù)通常表示為 20 kHz 帶寬內(nèi)的 A 加權(quán)值 (dBA)， 這意味著它包括一個(gè)與人耳對(duì)不同頻率聲音的靈敏度相對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)。當(dāng)比較不同麥克風(fēng)的 SNR 時(shí)，必須確保它們采用相同的加權(quán)方式和帶寬，在較窄帶寬下測(cè)得的 SNR 優(yōu)于在整個(gè) 20 kHz 帶寬下測(cè)得的 SNR。
（4）動(dòng)態(tài)范圍 Dynamic Range
麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍衡量麥克風(fēng)能夠做出線(xiàn)性響應(yīng)的最大 SPL 與最小 SPL 之差。麥克風(fēng)的 SNR 是衡量等效輸入噪聲與 94 dB SPL 的參考水平之差，但在該參考水平以上，麥克風(fēng)仍然有相當(dāng)大的有用信號(hào)響應(yīng)范圍。上限決定失真，下限決定噪聲，一般上限最少大于120dB。MEMS 麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍上限是10%失真時(shí)的聲壓，下限是最低等效輸入噪聲：94dB-SNR。例如一個(gè)SNR=64dB,AOP是130dB的，那動(dòng)態(tài)范圍就是30dB~130dB。
（5）等效輸入噪聲 EIN
等效輸入噪聲是將麥克風(fēng)的輸出噪聲水平表示為一個(gè)施加于麥克風(fēng)輸入端的理論外部噪聲源。低于 EIN 水平的輸入在麥克風(fēng)的噪底以下，并且在麥克風(fēng)能夠產(chǎn)生輸出的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍以外。EIN 可以從動(dòng)態(tài)范圍或 SNR 參數(shù)導(dǎo)出，如下式所示：EIN = 94 dB – SNR。
（6）頻率響應(yīng) Frequency Response
麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)描述其在整個(gè)頻譜上的輸出水平。頻率上限和下限用麥克風(fēng)響應(yīng)比 1 kHz 的參考輸出水平低 3 dB 時(shí)的頻率點(diǎn)來(lái)描述。1 kHz 的參考水平通常歸一化為 0 dB。

頻率響應(yīng)較寬且平坦的麥克風(fēng)有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自然、清晰的聲音。
（7）總諧波失真 THD
總諧波失真衡量在給定純單音輸入信號(hào)下輸出信號(hào)的失真水平，用百分比表示。此百分比為基頻以上所有諧波頻率的功率之和與基頻信號(hào)音功率的比值。
MEMS 麥克風(fēng)的 THD 利用基波的前五次諧波計(jì)算。計(jì)算公式如下：

注意不要將此參數(shù)與總諧波失真加噪聲（THD + N）混淆，后者不僅衡量諧波水平，而且包括輸出中的所有其它噪聲影響。
（8）線(xiàn)性度 Linearity
線(xiàn)性度表征麥克風(fēng)電信號(hào)輸出幅度與輸入聲壓的關(guān)系。下圖分別為麥克風(fēng) THD + N 和線(xiàn)性度的曲線(xiàn)圖。


（9）電源抑制 Power Supply Rejection 和電源抑制比 Power Supply Rejection Ratio
電源抑制和電源抑制比是兩個(gè)類(lèi)似表征麥克風(fēng)輸出對(duì)于電源輸入噪聲抑制能力的參數(shù)。它們測(cè)量的是電源噪聲影響到麥克風(fēng)的輸出的程度。測(cè)量方法有所不同。
電源抑制 PSR 通過(guò)將頻率為 100 mV 峰峰值，頻率為 217 Hz 的方波施加于麥克風(fēng)的 VDD 引腳來(lái)測(cè)量。PSR 的結(jié)果是在沒(méi)有聲音輸入情況下，麥克風(fēng)經(jīng)過(guò) A-Weight 濾波器，20 kHz 帶寬的輸出幅度大小。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，PSR 的單位為 dBV（負(fù)值），數(shù)字麥克風(fēng) PSR 的單位為 dBFS（負(fù)值）。如果麥克風(fēng)具有良好的電源抑制能力，則此 PSR 近似等于 A-Weight 濾波器的噪聲水平。
電源抑制PSR測(cè)量之所以使用 217 Hz 頻率，是因?yàn)樵?GSM 電話(huà)應(yīng)用中，217 Hz 開(kāi)關(guān)頻率通常是電源的一個(gè)主要噪聲源。
電源抑制比 PSRR 測(cè)試使用的1KHZ正弦波，峰峰值 200 mV 的正弦波施加到麥克風(fēng)的 VDD 引腳。PSRR 測(cè)量麥克風(fēng)在頻域內(nèi)對(duì)電源噪聲的抑制能力。測(cè)試 PSRR 的過(guò)程中，不需要使用到 A-Weight 濾波器。在麥克風(fēng)的器件手冊(cè)中，一般標(biāo)定 1 kHz 時(shí)器件的 PSRR。

數(shù)字麥克風(fēng)和模擬麥克風(fēng)的 PSRR 參數(shù)曲線(xiàn)類(lèi)似，數(shù)字麥克風(fēng)電源抑制比單位為 dBFS。不過(guò)數(shù)字麥克風(fēng)的電源抑制比參數(shù)不是嚴(yán)格的比值關(guān)系，因?yàn)殡娫丛肼曒斎雴挝粸?dBV，而麥克風(fēng)輸出噪聲單位為 dBFS，并非與電源噪聲的比例關(guān)系。因此，數(shù)字麥克風(fēng)的電源抑制比曲線(xiàn)中使用 PSR。
（10）聲學(xué)過(guò)載點(diǎn) Acoustic Overload Point
聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)指的是麥克風(fēng)輸出 THD 等于 10 % 時(shí)輸入的聲壓大小（SPL），通常也稱(chēng)為麥克風(fēng)的削波點(diǎn)。聲壓高于 AOP 的輸入會(huì)造成輸出信號(hào)嚴(yán)重失真。通過(guò)檢測(cè)輸出信號(hào) THD的 波形決定 AOP 的大小，如下圖所示。

AOP 和 THD 的測(cè)試值并不能正確反映麥克風(fēng)的輸出隨著失真增加變化的情況。無(wú)論是硬件或軟件的削波，都會(huì)提供關(guān)于音質(zhì)變化的額外信息。為表征麥克風(fēng)輸出隨著 SPL 增加變化的情況，有些麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)提供麥克風(fēng)輸出隨著 SPL 增加在時(shí)域內(nèi)變化的情況，下圖表示輸入不同聲壓的 1 kHz 正弦聲波，某麥克風(fēng)輸出電壓變化的情況。
以上就是麥克風(fēng)的 10 個(gè)性能，指向性、靈敏度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、等效輸入噪聲、總諧波失真、線(xiàn)性度、電源抑制和電源抑制比、聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)，在選擇麥克風(fēng)時(shí)候可以著重關(guān)注這些性能。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-419551.html

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