麥克風的分類和性能參數

1. 前言
我們生活中處處可以見到麥克風的身影，耳機、話筒、手機、智能音箱……但有小夥伴就問了，不同的應用那該咋選麥克風呢，該關注哪些性能參數呢？那今天我們就來聊聊麥克風的那些事兒吧！！！

2. 麥克風簡介
麥克風是将聲音轉換為電信号的設備，廣泛應用于電話、語音識别、音樂錄制等場合。麥克風可以将聲音的變化通過特定的機制轉換為電壓或者電流的變化，再交給電路系統進行處理。由此可見，麥克風和揚聲器執行的是相反的過程。

根據不同的聲電轉換機制，麥克風分為不同的類型，包括動态麥克風、電容式麥克風和壓電式麥克風等。由于輸出信号比較微弱，一般麥克風都會配合前置放大器（Preamplifier）一起使用，再與後端電路連接。

3. 麥克風分類
根據聲電轉換方式的不同，麥克風大緻分為以下 7 類：

（1）動态麥克風 Dynamic Microphone

原理：聲音擾動圓錐體在磁場中運動，通過電磁感應在線圈上産生電壓的變化；

優點：簡單緊固、易于小型化、不需額外供電、不易過載（失真）；

缺點：靈敏度不如駐極體麥克風、頻響和瞬态響應不夠好、多數不可以調整方向性；


（2）帶狀麥克風 Ribbon Microphone

原理：聲音擾動磁場中金屬帶，通過電磁感應在金屬帶兩端産生電壓變化；

優點：音質效果好、雙向響應效果好、瞬态響應好；

缺點：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 Condenser Microphone

原理：聲音擾動改變金屬膜闆與背闆的距離，引起膜闆和背闆間電容 C 的變化，電容器上存儲的電荷 Q 也會随着變化，進而在電阻 R 上産生電壓的變化，由此完成聲音信号到電信号的轉換；

優點：靈敏度高、頻響特性好、瞬态響應特性好；

缺點：脆弱、需要外部供電、對濕度敏感、内部可能過載（失真）；


（4）駐極體麥克風 Electret Condenser Microphone

原理：駐極體麥克風原理類似電容式麥克風，聲音影響金屬隔膜與背闆距離，電容器上的電荷變化在電阻上産生電壓的變化，由此完成聲音信号到電信号的轉換。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 的頻率響應特性不如電容式麥克風；

駐極體麥克風因其低成本小型化的特點，在手持設備中得到廣泛應用。内部集成 FET 前置放大器的駐極體麥克風可以提供很高的性能。下圖為電容式麥克風（a）和駐極體麥克風（b）的電路的對比示意圖，其中虛線框内代表麥克風本體部分。

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

（5）MEMS 麥克風 MEMS Microphone

MEMS（微型機電系統）麥克風也稱麥克風芯片或者矽麥克風。通過 MEMS 工藝将傳感膜片直接附着在矽片上，一般 MEMS 麥克風都集成前置放大器。在 MEMS 麥克風中，又分為電容式和壓電式兩種。壓電式比電容式更新。數字 MEMS 麥克風芯片内部集成 ADC，直接輸出數字信号，PDM 是最常見的數字麥克風接口方式。



（6）晶體/壓電麥克風 Crystal Microphone /Piezo Microphone

原理：利用某些材料的壓電效應——即聲音造成材料的變形産生電壓的變化。如上圖所示，晶體麥克風的膜片連接到壓電晶體，膜片的振動會造成晶體形變，從而在端子上産生電壓（電流）信号；

優點：堅固耐用、信噪比高、啟動時間更短、防水防塵性能好；


（7）炭粒麥克風 Carbon Microphone

原理：金屬隔闆之間填塞炭顆粒，聲壓作用于隔闆，炭粒的振動引起金屬隔闆之間阻抗的變化。聲壓越大，金屬隔闆距離越近，則阻抗越小，反之阻抗越大。由此完成聲音信号到電信号的轉換。炭粒麥克風是最早期的麥克風，如今已很少使用；

4. 麥克風性能參數
（1）指向性 Directionality

麥克風的指向性，即麥克風對于不同方向聲音的響應能力是不同的。麥克風的指向性與麥克風的設計原理有關，常見有全向型、八字型和心型，如下表所示。在曲線上各點施加同樣聲壓，麥克風會産生相同大小的輸出。

方向性描述麥克風的靈敏度随聲源空間位置的改變而變化的模式。将全向麥克風集成到手機等較大的機殼中後，系統的方向響應可能不是全向的。對于系統設計人員，與定向響應的麥克風相比，利用全向麥克風能夠更靈活地設計系統對聲學輸入的響應。


（2）靈敏度 Sensitivity

麥克風的靈敏度是指其輸出端對于給定标準聲學輸入的電氣響應。用于麥克風靈敏度測量的标準參考輸入信号為 94 dB 聲壓級或 1 帕的 1 kHz 正弦波。對于固定的聲學輸入，靈敏度值高的麥克風比靈敏度值低的麥克風輸出的電信号幅度高。麥克風靈敏度通常是負值，因此，靈敏度越高，其絕對值越小。

務必注意麥克風靈敏度參數的單位。如果兩個麥克風的靈敏度不是采用同一單位來規定，那麼直接比較靈敏度值是不恰當的。模拟麥克風的靈敏度通常用 dBV 來規定，即相對于 1.0 Vrms 的比值（dB）。數字麥克風的靈敏度通常用 dBFS 來規定，即相對于滿量程數字輸出（FS）的比值（dB）。對于數字麥克風，滿量程（全“1”）是麥克風輸出數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。對于模拟麥克風，靈敏度通常用 mV/Pa 來衡量，其結果可通過下式轉換為 dB 值。

其中 OutputREF 為 1 V/Pa（1000 mV/Pa）。

對于數字麥克風，靈敏度表示為 94 dB SPL 輸入所産生的輸出占滿量程輸出的百分比。數字麥克風的換算公式為以下表達。

其中 OutputREF 為滿量程數字輸出水平（全“1”）。

較高的靈敏度并不總是意味着麥克風的性能更佳。麥克風的靈敏度越高，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（近距離談話）應用中，高靈敏度的麥克風可能更容易引起失真，這種失真常常會降低麥克風的整體動态範圍。


（3）信噪比 SNR

信噪比表示參考信号與麥克風輸出的噪聲水平的比值。這種測量包括麥克風元件和 MEMS 麥克風封裝中集成的 ASIC 二者所貢獻的噪聲。SNR 為噪聲水平與标準 1 kHz、94 dB SPL 參考信号的 dB 差。要計算 SNR，須在安靜、消聲環境下測量麥克風的噪聲輸出。該參數通常表示為 20 kHz 帶寬内的 A 加權值 (dBA)， 這意味着它包括一個與人耳對不同頻率聲音的靈敏度相對應的校正系數。當比較不同麥克風的 SNR 時，必須确保它們采用相同的加權方式和帶寬，在較窄帶寬下測得的 SNR 優于在整個 20 kHz 帶寬下測得的 SNR。


（4）動态範圍 Dynamic Range

麥克風的動态範圍衡量麥克風能夠做出線性響應的最大 SPL 與最小 SPL 之差。麥克風的 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，麥克風仍然有相當大的有用信号響應範圍。麥克風能夠對 94 dB SPL 至最高 120 dB SPL（即AOP）的聲學輸入信号做出線性響應。因此，MEMS 麥克風的動态範圍等于其 SNR + 26 dB，其中 26 dB = 120 dB（AOP） − 94 dB。下圖顯示了聲音輸入與麥克風電壓輸出的關系。動态範圍和 SNR 顯示于這兩個刻度軸之間，以供參考。下圖利用 −38 dBV 靈敏度和 65 dB SNR的 MIC 來顯示這些關系。

（5）等效輸入噪聲 EIN

等效輸入噪聲是将麥克風的輸出噪聲水平表示為一個施加于麥克風輸入端的理論外部噪聲源。低于 EIN 水平的輸入在麥克風的噪底以下，并且在麥克風能夠産生輸出的信号動态範圍以外。EIN 可以從動态範圍或 SNR 參數導出，如下式所示：EIN = 最大聲音輸入 − 動态範圍，即 EIN = 94 dB – SNR。


（6）頻率響應 Frequency Response

麥克風的頻率響應描述其在整個頻譜上的輸出水平。頻率上限和下限用麥克風響應比 1 kHz 的參考輸出水平低 3 dB 時的頻率點來描述。1 kHz 的參考水平通常歸一化為 0 dB。

頻率響應特性還包括通帶内偏離平坦響應的限值。這些值表示為 ± x dB，說明 -3 dB 點之間輸出信号與标稱 0 dB 電平的最大偏差。MEMS 麥克風數據手冊用兩幅圖來顯示此頻率響應：一幅圖顯示頻率響應模闆，另一個幅圖顯示典型實測頻率響應。頻率響應模闆圖顯示整個頻率範圍内麥克風輸出的上限和下限，麥克風輸出保證位于此模闆範圍内。典型頻率響應圖顯示麥克風在整個頻段内的實際響應。

頻率響應較寬且平坦的麥克風有助于系統設計實現自然、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号下輸出信号的失真水平，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号音功率的比值。

MEMS 麥克風的 THD 利用基波的前五次諧波計算。計算公式如下：

注意不要将此參數與總諧波失真加噪聲（THD + N）混淆，後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）線性度 Linearity

線性度表征麥克風電信号輸出幅度與輸入聲壓的關系。下圖分别為麥克風 THD + N 和線性度的曲線圖。

（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類似表征麥克風輸出對于電源輸入噪聲抑制能力的參數。它們測量的是電源噪聲影響到麥克風的輸出的程度。測量方法有所不同。

電源抑制 PSR 通過将頻率為 100 mV 峰峰值，頻率為 217 Hz 的方波施加于麥克風的 VDD 引腳來測量。PSR 的結果是在沒有聲音輸入情況下，麥克風經過 A-Weight 濾波器，20 kHz 帶寬的輸出幅度大小。對于模拟麥克風，PSR 的單位為 dBV（負值），數字麥克風 PSR 的單位為 dBFS（負值）。如果麥克風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。

電源抑制測量之所以使用 217 Hz 頻率，是因為在 GSM 電話應用中，217 Hz 開關頻率通常是電源的一個主要噪聲源。

電源抑制比 PSRR 測試使用的不是方波，而是頻率為 100 Hz – 10 kHz，峰峰值 100 mV 的正弦波施加到麥克風的 VDD 引腳。PSRR 測量麥克風在頻域内對電源噪聲的抑制能力。測試 PSRR 的過程中，不需要使用到 A-Weight 濾波器。在麥克風的器件手冊中，一般标定 1 kHz 時器件的 PSRR。


數字麥克風和模拟麥克風的 PSRR 參數曲線類似，數字麥克風電源抑制比單位為 dBFS。不過數字麥克風的電源抑制比參數不是嚴格的比值關系，因為電源噪聲輸入單位為 dBV，而麥克風輸出噪聲單位為 dBFS，并非與電源噪聲的比例關系。因此，數字麥克風的電源抑制比曲線中使用 PSR。

（10）聲學過載點 Acoustic Overload Point

聲學過載點指的是麥克風輸出 THD 等于 10 % 時輸入的聲壓大小（SPL），通常也稱為麥克風的削波點。聲壓高于 AOP 的輸入會造成輸出信号嚴重失真。通過檢測輸出信号 THD的 波形決定 AOP 的大小，如下圖所示。

AOP 和 THD 的測試值并不能正确反映麥克風的輸出随着失真增加變化的情況。無論是硬件或軟件的削波，都會提供關于音質變化的額外信息。為表征麥克風輸出随着 SPL 增加變化的情況，有些麥克風的數據手冊會提供麥克風輸出随着 SPL 增加在時域内變化的情況，下圖表示輸入不同聲壓的 1 kHz 正弦聲波，某麥克風輸出電壓變化的情況。

以上就是麥克風的 10 個性能，指向性、靈敏度、信噪比、動态範圍、等效輸入噪聲、總諧波失真、線性度、電源抑制和電源抑制比、聲學過載點，在選擇麥克風時候可以着重關注這些性能，找到自己“心儀”的它。

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