麦克风概述

 

简介


 

麦克风,是将声音转换为电信号的设备,广泛应用于电话、语音识别、音乐录制等场合。

声音,即人耳可以感受到的空气、水以及其它介质中的压强变化。麦克风可以将声音的变化通过特定的机制转换为电压或者电流的变化,再交给电路系统进行处理。由此可见,麦克风和扬声器(电信号转换为声音信号)执行的是相反的过程。实际上,也可以使用扬声器充当简易的麦克风,只不过效果不如麦克风好而已。

声音的强度,通过声压表示,对应电压或电流的幅值;声音变化的快慢,则对应电信号的频率。

根据不同的声电转换机制,麦克风分为不同的类型,包括动态麦克风、电容式麦克风和压电式麦克风等。由于输出信号比较微弱,一般麦克风都会配合前置放大器(Preamplifier)一起使用,再与后端电路连接。

 

分类


 

根据不同声电转换方式的不同,麦克风大致分为以下几类:

1. 动态麦克风 Dynamic Microphone

fig1_dyn_mic

图1. 动态麦克风示意图

原理:声音扰动圆锥体在磁场中运动,通过电磁感应在线圈上产生电压的变化。

由动态麦克风的原理可以知道,动态麦克风好比微型喇叭,应用中可以通过两个动态麦克风(喇叭)实现简单的通信功能,如图2所示:

fig2_dyn_comm_sys

图2. 两个动态麦克风构成的简易对讲系统

优点

  • 简单紧固
  • 易于小型化
  • 不需要额外供电
  • 不易过载(失真)

缺点

  • 灵敏度不如驻极体麦克风
  • 频响和瞬态响应不够好
  • 多数不可以调整方向性

 

2. 带状麦克风 Ribbon Microphone

fig3_rib_mic图3. 带状麦克风示意图

原理:声音扰动磁场中金属带(Ribbon),通过电磁感应在金属带两端产生电压变化。

优点

  • 音质效果好
  • 双向响应效果好
  • 瞬态响应好

在参考链接中提到带状麦克风的特点音质暖,由于过于玄学,军规能力有限,实在翻译不出来。

缺点

  • 脆弱易损
  • 输出灵敏度小(噪声高)
  • 高声压会造成损坏

3. 电容式麦克风 Condenser Microphone

fig4_con_mic图4. 电容式麦克风示意图

原理:声音扰动改变金属膜板(Membrane)与背板(Back plate)的距离,引起膜板和背板间电容C的变化,电容器上存储的电荷Q也会随着变化,进而在电阻R上产生电压的变化,由此完成声音信号到电信号的转换。

因为电容式麦克风的感应部件为轻巧的金属膜,因此可以很好地响应高频声音(的变化),也就是拥有良好的瞬态响应特性。电容式麦克风需要有持续的直流电压以偏置金属膜板,常见通过音频混合电路板进行供电接入到麦克风的引脚,一般为48V,亦称为幻象电源(Phantom Power)。

优点

  • 灵敏度高
  • 频响特性好
  • 相比于其它类型麦克风,瞬态响应特性最好

缺点

  • 脆弱(相比于动态麦克风)
  • 需要外部供电
  • 对湿度敏感
  • 内部可能过载(失真)

 

4. 驻极体麦克风 Electret Condenser Microphone

fig5_ecm图5. 驻极体麦克风示意图

原理:驻极体麦克风(ECM)原理类似电容式麦克风,声音影响金属隔膜(Diaphragm)与背板距离,电容器上的电荷变化在电阻上产生电压的变化,由此完成声音信号到电信号的转换。ECM的金属隔膜是永久性的含电荷材料,因此在使用中不必需要额外的偏置电源,但ECM的频率响应特性不如电容式麦克风。

驻极体麦克风因其低成本小型化的特点,在手持设备中得到广泛应用。内部集成FET前置放大器的驻极体麦克风可以提供很高的性能。
图6为电容式麦克风(a)和驻极体麦克风(b)的电路的对比示意图:

fig6_con_circuit

图6. 驻极体麦克风电路示意图

注:虚线内表示麦克风本体部分

典型的驻极体麦克风(ECM)内部示意如图7,驻极体麦克风的电容不需要外部供电(Biasing),但是场效应管(FET)需要供电。麦克风输出通过大容值电容AC耦合到前置放大器。上拉电阻R决定麦克风的输出阻抗,并决定场效应管缓冲器的偏置电压。

 

fig7_ecm_structure

图7. 驻极体麦克风内部结构

 

5. MEMS麦克风 MEMS Microphone

MEMS(微型机电系统)麦克风也称麦克风芯片或者硅麦克风。通过MEMS工艺将传感膜片直接附着在硅片上,一般MEMS麦克风都集成前置放大器。大多数MEMS麦克风其实是电容式麦克风的变种。数字MEMS麦克风芯片内部集成ADC,直接输出数字信号,PDM是最常见的数字麦克风接口方式。

6. 晶体/压电麦克风 Crystal Microphone /Piezo Microphone

fig8_crystal_mic

图8. 晶体麦克风示意图

原理:利用某些材料的压电效应——即声音造成材料的变形产生电压的变化。如图8所示,晶体麦克风的膜片连接到压电晶体,膜片的振动会造成晶体形变,从而在端子上产生电压(电流)信号。

7. 炭粒麦克风 Carbon Microphone

 

fig9_carbon_mic

图9. 炭粒麦克风示意图

原理:金属隔板之间填塞炭颗粒,声压作用于隔板,炭粒的振动引起金属隔板之间阻抗的变化。声压越大,金属隔板距离越近,则阻抗越小,反之阻抗越大。由此完成声音信号到电信号的转换。

炭粒麦克风是最早期的麦克风,如今已很少使用。

 

方向性


 

麦克风的方向性,即麦克风对于不同方向声音的响应能力是不同的。麦克风的指向性与麦克风的设计原理有关,常见有全向型、八字型和心型,如下表1所示:

ch1_mic_direction

表1. 麦克风的方向性对比

注:在曲线上各点施加同样声压(SPL),麦克风会产生相同大小的输出。

 

参数


 

原文传送:ADI应用笔记AN-1112另文

 

1. 灵敏度(Sensitivity)

麦克风的灵敏度是指其输出端对于给定标准声学输入的电气响应。 用于麦克风灵敏度测量的标准参考输入信号为 94dB 声压级 (SPL) 或 1 帕( Pa, 衡量压力的单位) 的 1 kHz正弦波。 对于固定的声学输入, 灵敏度值高的麦克风比灵敏度值低的麦克风输出的电信号幅度高。 麦克风灵敏度(用dB 表示) 通常是负值, 因此, 灵敏度越高, 其绝对值越小。
务必注意麦克风灵敏度参数的单位。 如果两个麦克风的灵敏度不是采用同一单位来规定, 那么直接比较灵敏度值是不恰当的。 模拟麦克风的灵敏度通常用 dBV 来规定, 即相对于1.0 Vrms 的比值(dB)。 数字麦克风的灵敏度通常用dBFS 来规定, 即相对于满量程数字输出(FS))的 比值(dB)。 对于数字麦克风, 满量程(全“1”)是麦克风输出数字编码可以表征的最大值; 关于该参数更详尽的描述,参见”最大声学输入“部分。

灵敏度指输入压力与电气输出( 电压) 的比值。对于模拟麦克风, 灵敏度通常用 mV/Pa 来衡量, 其结果可通过下式转换为 dB 值 :

func1_sen_analog
其中 OutputREF 为 1 V/Pa (1000 mV/Pa) 。

对于数字麦克风, 灵敏度表示为 94 dB SPL 输入所产生的输出占满量程输出的百分比。 数字麦克风的换算公式为 :

func2_sen_dig

其中 OutputREF 为满量程数字输出水平(1.0)。

较高的灵敏度并不总是意味着麦克风的性能更佳。 麦克风的灵敏度越高, 则它在典型条件(如交谈等) 下的输出水平与最大输出水平之间的裕量通常也越小。 在近场(近距离谈话) 应用中, 高灵敏度的麦克风可能更容易引起失真,这种失真常常会降低麦克风的整体动态范围。

举例:

本文 表3 列出麦克风的灵敏度-46dBV,根据此参数换算输出电压与声压的关系:10^(-46/20) = 0.00501 V/Pa = 5.01 mV/Pa

输入声压比如120 dBSPL (20Pa) 的声音,麦克风的输出 = 5.01 mV/Pa * 20 Pa = 100.2 mV (RMS)

结合上文中公式,可以做个倒推计算,对于输出强度例如5.01 mV/Pa的麦克风,换算出其灵敏度:20 * log [(0.00501 V/Pa)/(1 V/Pa)] = -46 dBV // @94 dBSPL

 

附件为换算麦克风灵敏度的小工具

Mic Sensitivity and dB Convertor

 

2. 方向性(Directionality)

如前文第二部分“方向性”所述,方向性描述麦克风的灵敏度随声源空间位置的改变而变化的模式。

将全向麦克风集成到手机等较大的机壳中后, 系统的方向响应可能不是全向的。 对于系统设计人员, 与定向响应的麦克风相比, 利用全向麦克风能够更灵活地设计系统对声学输入的响应。
多个全向 麦克风可以组成阵列来产生各种不同的方向 模式, 以及用于波束成形应用。

图10表示全向麦克风响应图。

fig10_omini

图10. 全向麦克风响应图

3. 信噪比(SNR)

信噪比(SNR) 表示参考信号与麦克风输出的噪声水平的比值。 这种测量包括麦克风元件和 MEMS 麦克风封装中集成的 ASIC 二者所贡献的噪声。 SNR 为噪声水平与标准 1kHz、 94 dB SPL 参考信号的 dB 差。
要计算 SNR, 须在安静、 消声环境下测量麦克风的噪声输出。该参数通常表示为 20 kHz 带宽内的 A 加权值 (dBA), 这意味着它包括一个与人耳对不同频率声音的灵敏度相对应的校正系数。当比较不同麦克风的 SNR 时, 必须确保它们采用相同的加权方式和带宽 ; 在较窄带宽下测得的 SNR 优于在整个 20 kHz 带宽下测得的 SNR。

4. 动态范围(Dynamic Range)

麦克风的动态范围衡量麦克风能够做出 线性响应的最大SPL与最小SPL之差, 它不同于SNR( 相比之下,音频ADC 或 DAC 的动态范围与 SNR 通常是等同的)。
麦克风的 SNR 衡量噪底(EIN)与 94 dB SPL 的参考水平之差,但在该参考水平以上,麦克风仍然有相当大的有用信号响应范围。 麦克风能够对 94 dB SPL 至最高 120 dB SPL(即AOP) 的声学输入信号做出线性响应。 因此,MEMS 麦克风的动态范围等于其 SNR + 26 dB, 其中 26 dB = 120 dB(AOP) − 94 dB。 例如,ADMP404 的 SNR 为 62 dB, 而动态范围为 88 dB。
图11显示了声音输入(用 dB SPL 衡量)与麦克风电压输出(用dBV 衡量) 的关系。 动态范围和 SNR 显示于这两个刻度轴之间,以供参考。 图11利用 −38 dBV 灵敏度和 65 dB SNR的 ADMP504 来显示这些关系。

fig11_dBspl_vs_dBV

图11. 模拟麦克风的dBSPL输入与 dBV输出的关系

图12显示了数字麦克风的 dB SPL 输入与 dBFS 输出之间的类似关系。 注意, 在此图中,120 dB SPL 的声学过载点(AOP)映射 为 0 dBFS 输出信号。 只要声学过载点对应 0 dBFS 并且设置为 120 dB SPL, 则数字麦克风始终具有 −26dB 的灵敏度。 这是由灵敏度的定义(在 94 dB SPL 下测量)所决定的, 而不是可以通过改变麦克风 ASIC 的增益进行调整的设计参数。

fig12_dBspl_vs_dBFS

图12. 数字麦克风的dBSPL输入与 dBFS输出的关系

注:以上示例均假定麦克风的声学过载点(AOP)为120dB SPL

 

4. 等效输入噪声(EIN)

EIN: Equivalent Input Noise

等效输入噪声是将麦克风的输出噪声水平 (SPL) 表示为一个施加于麦克风输入端的理论外部噪声源。 低于EIN 水平的输入( SPL) 在麦克风的噪底以下, 并且在麦克风能够产生输出的信号动态范围以外。 EIN 可以从动态范围或 SNR 参数导出, 如下式所示 :

EIN = 最大声音输入− 动态范围
EIN = 94 dB − SNR

 

对于一个具有 62 dB SNR 和 120 dB 最大声学输入的麦克风,其 EIN 为 32 dB SPL, 这大约是在安静的图书馆中5米开外的轻声低语所产生的 SPL。 图11和图12描述了麦克风的EIN。

 

5. 频率响应(Frequency Response)

麦克风的频率响应描述其在整个频谱上的输出水平。 频率上限和下限用麦克风响应比 1 kHz 的参考输出水平低 3 dB时的频率点来描述。 1kHz的参考水平通常归一化为 0 dB。

频率响应特性还包括通带内偏离平坦响应的限值。 这些值表示为 ±x dB, 说明 -3 dB 点之间输出信号与标称 0 dB 电平的最大偏差。

MEMS 麦克风数据手册用两幅图来显示此频率响应 : 一幅图显示频率响应模板, 另一个幅图显示典型实测频率响应。频率响应模板图显示整个频率范围内麦克风输出的上限和下限, 麦克风输出保证位于此模板范围内。 典型频率响应图显示麦克风在整个频段内的实际响应。 图13和图14的示例为选自 ADMP404 数据手册的两幅图。

fig13_fr_template

图13. 频率响应模板

fig14_fr_typical

图14. 典型频率响应(实测)

频率响应较宽且平坦的麦克风有助于系统设计实现自然、清晰的声音。

6. 总谐波失真(THD)

总谐波失真(THD) 衡量在给定纯单音输入信号下输出信号的失真水平, 用百分比表示。 此百分比为基频以上所有谐波频率的功率之和与基频信号音功率的比值。
ADI MEMS 麦克风的 THD 利用基波的前五次谐波计算。计算公式如下:

func3_thd

THD 值越高,说明麦克风输出中存在的谐波水平越高。

此测试的输入信号通常为 105 dB SPL, 比 94 dB SPL 参考高11 dB。 与其它参数相比, THD 在较高的输入 SPL 下测量,这是因为随着声学输入信号水平提高, THD 测量结果通常也会提高。 根据经验, 输入水平每提高 10 dB, THD 会提高 3 倍。 因此,如果在 105 dB SPL 时 THD 小于 3%, 则在95dB SPL 时 THD 将小于 1%。
注意不要将此参数与总谐波失真加噪声 (THD + N) 混淆,后者不仅衡量谐波水平, 而且包括输出中的所有其它噪声影响。

麦克风的线性度(Linearity)表征麦克风电信号输出幅度与输入声压的关系。图15和图16分别为ADMP411麦克风数据手册中THD和线性度的曲线图。

fig15_thd_vs_spl

图15. THD + N vs 输入声压

fig16_mic_lin

图16. 麦克风线性度

7. 电源抑制(PSR)和电源抑制比(PSRR)

PSR: Power Supply Rejection
PSRR: Power Supply Rejection Ratio

电源抑制和电源抑制比是两个类似表征麦克风输出对于电源输入噪声抑制能力的参数。它们测量的是电源噪声影响到麦克风的输出的程度。测量方法有所不同。

电源抑制PSR通过将频率为100mV峰峰值,频率为217Hz的方波施加于麦克风的VDD引脚来测量。PSR的结果是在没有声音输入情况下,麦克风经过A-Weight滤波器,20kHz带宽的输出幅度大小。对于模拟麦克风,PSR的单位为dBV(负值);数字麦克风PSR的单位为dBFS(负值)。如果麦克风具有良好的电源抑制能力,则此PSR近似等于A-Weight滤波器的噪声水平。
电源抑制测量之所以使用217Hz频率, 是因为在 GSM电话应用中,217Hz开关频率通常是电源的一个主要噪声源。

电源抑制比PSRR测试使用的不是方波,而是频率为100Hz-10kHz,峰峰值100mV的正弦波施加到麦克风的VDD引脚。PSRR测量麦克风在频域内对电源噪声的抑制能力。测试PSRR的过程中,不需要使用到A-Weight滤波器。在麦克风的器件手册中,一般标定1kHz时器件的PSRR,图17表征ADMP510在100Hz-10kHz内PSRR参数曲线。曲线代表的含义为,在麦克风电源VDD引脚施以100mV峰峰值(-20dBV)的信号,在麦克风输出管脚测量到此频率信号输出值大小。输出信号的绝对值(dBV)要比图表中展现的dB单位的值低20(与输入-20dBV的比值,故减去20!)。

数字麦克风和模拟麦克风的PSRR参数曲线类似,数字麦克风电源抑制比单位为dBFS。不过数字麦克风的电源抑制比参数不是严格的”比值(Ratio)“关系,因为电源噪声输入单位为dBV(-20dBV),而麦克风输出噪声单位为dBFS,并非与电源噪声的比例关系。因此,数字麦克风的电源抑制比曲线中使用PSR,不同于本节第二段中的电源抑制参数(217Hz方波)。

fig17_psrr_vs_freq

图17. 典型的PSRR与频率关系曲线(模拟麦克风)

 

表2列出了电源抑制PSR和电源抑制比PSRR参数的不同点。

ch2_psr_vs_psrr

表2. PSR和PSRR的对比

8. 声学过载点(AOP)

AOP: Acoustic Overload Point

声学过载点指的是麦克风输出THD等于10%时输入的声压大小(SPL),通常也称为麦克风的削波点。声压高于AOP的输入会造成输出信号严重失真。通过检测输出信号THD的波形决定AOP的大小,如图15所示。

AOP和THD的测试值并不能正确反映麦克风的输出随着失真增加变化的情况。无论是硬件或软件的削波,都会提供关于音质变化的额外信息。为表征麦克风输出随着SPL增加变化的情况,有些麦克风的数据手册会提供麦克风输出随着SPL增加在时域内变化的情况,图18表示输入不同声压的1kHz正弦声波,ADMP411输出电压变化的情况。

fig18_mic_clipping

图18. 麦克风削波特性

 

表3为ADI ADMP411 MEMS麦克风的参数表,读者感受下:

ch3_admp411_spec

表3. ADMP411 MEMS麦克风参数表

 

相关标准


 

  • IEC 61094
  • ANSI S1.4
  • IEC 60942
  • IEC 61672

这部分参考资料2!

 

参考资料


 

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Microphone#MEMS_microphone

  2. http://www.pcb.com/Linked_Documents/Vibration/Microphone_Handbook.pdf

  3. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/audio/mic.html#c1

  4. http://www.acoustics.salford.ac.uk/acoustics_info/microphones/?content=index

  5. http://www.audixusa.com/docs_12/specs_pdf/TM1.pdf

  6. http://www.dpamicrophones.com/en/Mic-University/Tech-Guide.aspx

  7. http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/46-05/understanding_microphone_sensitivity.html

  8. http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/DM00103199.pdf

 

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“Real generosity towards the future lies in giving all to the present.” ― Albert Camus
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