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Agenda HistoryMicrophonevarietiesDirectionalCharacteristicsParameter 麦克风 学名为传声器 是将声音信号转换为电信号的能量转换器件 由Microphone翻译而来 也称话筒 微音器 首先来回顾一下麦克风的发展史 有人可能知道在爱迪生留声机中 那个受话器其实就是麦克风的雏形 麦克风是录音环节中负责收集声音的设备 在最初的机械录音中 麦克风 受话器 负责将声音信号转换为振膜的振动 并将这种振动传递给细针 以刻录锡箔 后来 磁性录音技术的崛起 麦克风也随之发展成为一种将声音信号转换为电信号的设备 二十世纪 麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感 电容式转换 大量新的麦克风技术逐渐发展起来 这其中包括铝带 动圈等麦克风 以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风 麥克風的分類 1 按换能原理2 按输出信号3 按指向性 声场作用力4 按尺寸5 按接口 按换能原理 2 DynamicMicrophone 3 CondenserMicrophone 4 PiezoelectricMicrophone 1 CarbonMicrophone CarbonMicrophone 碳精话筒的原理 就是不同强度的声音产生的压力不同 导致炭精颗粒之间的接触电阻变化 流过话筒的电流会跟着变化 这样就把声音变成了电信号 碳精话筒能够直接由声音信号转换为有一定强度的电信号 经转换的电信号强度可达 20 0dB之间 不必经任何处理就可以直接在电信网中传输 相对而言 由其他技术体系实现的受话器 话筒信号均须经过约20 30dB的放大才可以在电信网中传输 也就是说 碳精话筒本身具有约相当于20dB的增益 CarbonMicrophone 在我国的通信网中 直到1996年以后 才逐步淘汰碳精式话筒 淘汰碳精话筒的理由 主要是由于它存在以下缺点 1 频率响应差 2 易老化 用得久了性能劣化严重 3 体积大 重量大 CarbonMicrophone DynamicMicrophone DynamicMicrophone CondenserMicrophone Soundwaves Diaphragm BackPlate Battery Resistance Signal CondenserMicrophone 传统ECM是在一个金属壳体内 包括一片可移动的永久充电振膜 高分子聚合材料振动膜 和一片与之平行的刚性背极板以及场效应晶体管 FET 构成 声波使振膜弯曲 改变振膜和背极板之间的气隙间距 从而使振膜和背板之间的电容发生改变 这种改变以交变电压信号的形式输出 可以反映出入声口处声波的频率和幅度变化 PiezoelectricMicrophone MEMS麦克风就是用MEMS技术加工的麦克风产品 也简称为硅麦克风 MEMS麦克风内含两块CMOS芯片MEMS 微机电系统 芯片和ASIC 专用IC 芯片 两颗芯片被封装在一个由PCB与金属外壳组合的SMD表面贴装器件中 MEMS芯片主要由硅材料制作的背极和一片弹性硅膜组成 以其代替ECM麦克风中的振膜与背极板组成的电容 可以将声压转换为电容变化 ASIC芯片用于检测MEMS电容变化 并将其转换为电信号 传递给相关处理器件 如配套设备的前置放大器或音频输入接口等 MEMS麦克风原理示意图 MEMS麦克风封装示意图 二者对比1针对传统麦克风而言 不论是制作ECM振膜和背极板的材料 还是ECM的永久振膜充电工艺 由于现有高分子驻极材料的温度局限性 在表面安装必需的高温下 电荷驻极性能都会因活跃电荷的逃逸显著下降 因为ECM不能进行表面安装 而需手工组装 故与能够采用自动分捡 pickandplace 组装工艺 能被焊接到电路板上的元件相比 它的组装成本更高 可靠性更低 MEMS麦克风是采用标准CMOS材料和工艺制作的 它们的构成材料硅在本质上就能够耐受表面安装时所需的高温环境 2 MEMS麦克风IC结构特性使其占位面积和高度比传统ECM尺寸小得多 特殊的封装结构又使这种麦克风系统的总体高度显著降低 尤其可以制作出称为零高度安装的特殊结构3 MEMS麦克风振膜的尺寸和质量都很小 较之直径4 6mm的ECM振膜 其直径小于0 5mm 提高了抗振动性噪音干扰能力 按输出信号 2 DigitalMicrophone 1 AnalogMicrophone 数字麦克风 传统ECM麦克风 模拟信号与数字信号模拟数据 AnalogData 是由传感器采集得到的连续变化的值 例如温度 压力数字信号是一种离散信号 通过电压脉冲即电压的高与低两种形式表示要传输的数据 数字数据 DigitalData 则是模拟数据经量化后得到的离散的值数字麦克风便是将采集到的声压这一连续变化的模拟物理量 直接转换为特定编码格式的数字脉冲信号输出 供IT应用设备进行加工处理 模拟麦克风输出信号波形 数字麦克风输出脉冲信号 引脚与传统麦克风的两只引脚结构不同 数字麦克风一般具有4 5只引脚 其功能分别为Vdd 电源输入 GND 地线 CLK 时钟输入 DATA 数据输出 L R 左右声道输出信号选择 根据客户需求 也可将L R选择端采取内部连接而形成4引脚结构 也有的IC芯片厂家同时供应不同型号的L或R声道芯片供客户选用 数字麦克风优点1 数字脉冲信号输出强度要远大于传统模拟ECM麦克风信号 这样在产品设计中可以不必为防止电磁干扰而必须要求采用屏蔽线及连线长度的考虑而费心 相应还可以降低设计成本 数字麦克风在没有时钟输入期间可以自动进入省电休眠状态 这一功能非常适合于采用电池供电的便携式设备 2 与模拟麦克风相比 数字麦克风可以提供更好的信噪比以及更好抗RF和EMI干扰能力 在数字麦克风或传统的驻极体电容麦克风之后 跟随一个模拟数字转换器电路 将在给定的采样速率输出条件下直接向新总线提供音频采样 数字麦克风的数据可以更加直接由CPU软件控制 以提供多种语音处理功能 按指向性 声场作用力 2 Uni directional 3 Bi directional 1 Omni directional Omni directional Cardio Uni directional Hype cardio Bi directional Commonpolarpatternsformicrophones microphonefacingupindiagram AnOmni directionalmicrophone alsoknownasapressuremicrophone isamicrophonethatpicksupsoundequallywellfromanydirection Thefrontofthemicrophonedoesnothavetobeaimedatthesource 1 Omni directional Adirectionalmicrophonethatismoresensitivetosoundcominginfromthefrontdirectionofthemicrophone Themicrophonepicksupthesoundenteringfromthefrontofthemicrophonewhiledampeningthesoundfromtherear 2 Uni directional Anoisecancelingmicrophoneisadirectionalmicrophonedesignedforuseataclosedistancetothetalker smouth Thesemicrophonescancelsoundpressurebeyondthisdistanceduetotheamplitudeofthefrequencyapplyingequalpressurefrombothsideofthemicrophone 3 Bi directional 按尺寸 1 3 0 4 0 1 0 1 52 6 0 1 5 2 2 2 73 9 8 5 0 按接口 TerminalType PinType SMDTYPE ContactType 频率响应frequencyresponse 频率响应又称带宽 frequencyrange 是指麦克风感应声波频率的范围 并将声波能量忠实的转换为电子讯号的能力 麦克风接受到不同频率声音时 输出信号会随着频率的变化而发生放大或衰减 一般以频率响应曲线图标之 灵敏度 Sensitivity 灵敏度代表麦克风将声音能量转换成电压后所产生的输出讯号强度 是在麦克风单位声压激励下输出电压与输入声压的比值 当输入信号固定时 1kHz 输出讯号越强 代表麦克风灵敏度越高 测试麦克风的灵敏度是将1kHz的讯号在94dB的音压电平位准 SPL 下准下量测开路的麦克风 取得的毫伏特 millivolt 值 单位为mV Pa 等效噪音电平 Equivalentnoiselevel 等效噪音电平又称内部噪声 selfnoise 麦克风的内部噪声在无声音讯号输入状态时可来自若干个方面1 供给麦克风电源的电压波动 偏置电压 引起的电子噪音2 内部材质电阻 热噪讯 3 外部射频发射器的干扰等 手机 等效噪音电平采用由国际电工协会 IEC 所定立的一种测试音量的标准所标示的音量值 以dB为单位 高质量的麦克风 内部噪声通常在15dBA以下 内部噪声也代表麦克风动态范围的下限 在音源音量较小时 需要使用低噪声的麦克风 以免音频为噪声盖过 讯号噪音比 Signal to noiseratio S N 讯号噪音比 讯噪比 是原始讯号和麦克风自身内部噪声强度的比值 以dB为单位 一般可以94dBSPL减去内部噪声强度 A weighted 来计算 讯噪比越高 音讯放大越干