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麦克风的基本原理概念

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点击次数:834 更新时间:2018年05月04日10:58:56 打印此页 关闭

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麦克风根据其换能原理可划分为电动麦克风和电容麦克风两种。其中电动类又可细分为动圈麦克风和铝带麦克风 [2]
常见的商用麦克风类型有电容式麦克风、晶体麦克风碳质麦克风以及动态麦克风。常用的电容式麦克风使用的能量源有两种:直流偏置电源和驻极体薄膜。这两种电容式麦克风和晶体麦克风都是将声能转换为电能,产生一个变化的电场。碳质麦克风采用直流电压源,通过声音振动改变其电阻,从而将声信号转换为电信号。电容式、晶体以及碳质麦克风都产生一个与敏感膜位移成正比的电压信号,而动态麦克风则产生一个与敏感膜的振动的振动速率成正比的电压信号。动态麦克风采用永磁体为能量源,基于电感效应将声能转换为电能 [3]

麦克风特点

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大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风(ECM),这种技术已经有几十年的历史。ECM 的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜。与ECM的聚合材料振动膜相比,MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定,不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强,MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊,而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小,这甚至可以节省制造过程中的音频调试成本。目前,集成电路工艺正越来越广泛地被应用在传感器及传感器接口集成电路的制造中。这种微制造工艺具有精确、设计灵活、尺寸微型化、可与信号处理电路集成、低成本、大批量生产的优点。早期微型麦克风是基于压阻效应的,有研究报道称,制作了以(1×1)cm2、2μm厚的多晶硅膜为敏感膜的麦克风。但是,在敏感膜内不存在应力的情况下,这样大并且很薄的多晶硅膜的一阶谐振频率将低于300Hz。一阶谐振频率在这样低的频段范围内将导致麦克风在听觉频率范围内的频率响应极不均匀(灵敏度的变化量大于40dB),这对于麦克风应用是不可接受的。当敏感膜内存在张应力时,其谐振频率将增大,却以牺牲灵敏度为代价。当然,可以通过调整敏感膜的尺寸来获得更高的一阶谐振频率,但是这仍将减小灵敏度。由此可见,压阻式方案并不适于微型麦克风的制造 [3]
一种可行的解决方案就是采用电容式方案,来制造微型麦克风。这一方法的优点就是:在集成电路制造工艺中使用的所有材料都可用于传感器的制造。但是采用单芯片工艺制造微麦克风有相当难度,因为在两个电容极板之间的空气介质只能有很小的间隔。而且,由于尺寸的限制,在一些应用场合偏置电压很难满足。基于上述问题,对于电容式麦克风的研究一直没有间断过 [3]

麦克风工作原理

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20世纪初,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。圈麦克风的工作原理是以人声通过空气使震膜振动,然后在震膜上的电磁线圈绕组和环绕在动圈麦头的磁铁形成磁力场切割,形成微弱的波动电流。电流输送到扩音器,再以相反的过程把波动电流变成声音 [4]

麦克风铝带麦克风

对于铝带麦克风来说,其使用的铝带既是麦克风膜片,又是在磁场中运动的导体。铝带通常由铝帛制成,厚0~1毫米,宽2毫米~4毫米,质量仅为0.2毫克,以求达到较好的瞬态反应。为了取得在2kHz~4kHz之间较理想的共振频率,铝带被制成皱折状以保持一个精确的张力值。铝带作为导体和麦克风膜片被悬挂于两磁极面中间的磁场中,随入射声波频率而振动,同时在铝带两端产生一定的电压输出 [2]

麦克风电容型

电容式麦克风有两块金属极板,其中一块表面涂有驻极体薄膜(多数为聚全氟乙丙烯)并将其接地,另一极板接在场效应晶体管的栅极上,栅极与源极之间接有一个二极管。当驻极体膜片本身带有电荷,表面电荷地电量为Q,板极间地电容量为C,则在极头上产生地电压U=Q/C,当受到振动或受到气流地摩擦时,由于振动使两极板间的距离改变,即电容C改变,而电量Q不变,就会引起电压的变化,电压变化的大小,反映了外界声压的强弱,这种电压变化频率反映了外界声音的频率,这就是驻极体传声器地工作原理 [2]
电容式麦克风的膜片多采用聚全氟乙丙烯,其湿度性能好,产生的表面电荷多,受湿度影响小。由于这种传声器也是电容式结构,信号内阻很大,为了将声音产生的电压信号引出来并加以放大,其输出端也必须使用场效应晶体管 [2]

麦克风详述

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麦克风指向性

指向性也叫话筒的极性( polar pattern),它指话筒拾取来自不同方向的声音的能力。一般分全向型、心型、超心型、8字型 [5]
全向型(Omnidirectional)也叫无方向型,它对各个方向的声音有相同的灵敏度。心型(Cardioid)属指向型话筒,前端灵敏度最强,后端灵敏度最弱。超心型(Supercardioid)拾音区域比心型话筒更窄,但后端也会拾取声音。8字型分别从前方和后方拾取声音,但不从侧面(90度角)拾音 [5]

麦克风技术指标

灵敏度
指麦克风的开路电压与作用在其膜片上的声压之比。实际上,麦克风在声场必然会引起声场散射,所以灵敏度有两种定义。一种是实际作用于膜片上的声压,称为声压灵敏度,另一种是指麦克风未置入声场的声场声压,称为声场灵敏度,其中声场灵敏度又分为自由场灵敏度和扩散场灵敏度。通常录音用麦克风给出声压灵敏度,测量用麦克风因应用类型给出声压或声场灵敏度 [5]
灵敏度的单位是伏/帕(伏特/帕斯卡,V/Pa),通常使用灵敏度级来表示,参考灵敏度为1V/Pa [5]
频率响应
是指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。最理想的频率响应曲线为一条水平线,代表输出信号能直实呈现原始声音的特性,但这种理想情况不容易实现。一般来说,电容式麦克风的频率响应曲线会比动圈式的来得平坦。常见的麦克风频率响应曲线大多为高低频衰减,而中低频略为放大 [5]
频率响应曲线图中,横轴为频率,单位为赫兹,大部份情况取对数来表示;纵轴则为灵敏度,单位为分贝 [5]
阻抗
3-pin XLR接头可以产生平衡输出信号,可有效消除外来的噪声干扰。三支针脚会标明1、2、3三个数字;在美规中,1代表接地线,2代表正相(hot)讯号,3代表反相(cold)讯号;欧规中,1代表接地线,2代表反相(cold)讯号,3代表正相(hot)讯号 [5]
信号噪声比
用传声器输出信号电压与传声器内在噪声电压比值的对数值来衡量。一般优质电容式传声器的S/N值为55~57dB [6]
动态范围
动态范围小,会引起声音失真,音质变坏,因此要求足够大的动态范围 [6]
等效噪声级
声波的声压作用在传声器上所产生的输出电压同传声器本身固有噪声产生的输出电压相等,该声波声压就等于传声器的等效噪声级 [6]
总谐波失真(THD)
谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真由于系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般说来,500Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。总谐波失真在1%以F,入耳分辨不出来,超过10%就可以明显听出失真的成分。数值越小,音色就更加纯净,表明产品品质越高。一般产品的总谐波失真都小于1%(以500Hz频率测量) [6]

麦克风接头

1/4吋(6.3mm)接头以及3.5mm接头有分单声道(mono)和立体声(stereo)两种,简单的区分方式是看接头上有几个黑色的绝缘环,两个绝缘环代表立体声,一个绝缘环则代表单声道 [2]
  1. 接地
  2. 立体声时为声道;平衡单声道时为反相讯号;或做为单声道的电源输入端
  3. 立体声时为声道;平衡单声道时为正相讯号;非平衡单声道时的信号输出端
  4. 绝缘环 [2]

麦克风声音的采集角度

与透镜的焦距有不同的变化一样,麦克风采集声音的角度也是各不相同的。心形麦克风可以从多个角度采集声音。超心形麦克风采集声音的角度要相对小一些。枪形麦克风采集声音的角度和前两者相比更窄。与镜头不同,麦克风种类的临界点并不精密。单人摄录,也就是不和摄录组进行的拍摄,最佳麦克风选择是小型的枪式麦克风 [7]  。
速率成正比的电压信号。动态麦克风采用永磁体为能量源,基于电感效应将声能转换为电能 [3]

麦克风历史

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麦克风的历史可以追溯到19世纪末,贝尔(Alexander Graham Bell)等科学家致力于寻找更好地拾取声音的办法,以用于改进当时的最新发明——电话。期间他们发明了液体麦克风和碳粒麦克风,这些麦克风效果并不理想,只是勉强能够使用 [8]
1949年,威尼伯斯特实验室(森海塞尔的前身)研制出MD4型麦克风,它能够在嘈杂环境中有效抑制声音回授,降低背景噪音。这就是世界上第一款抑制反馈的降噪型麦克风 [8]

1961年,德国汉诺威的工业博览会上,森海塞尔推出了MK102型和MK103型麦克风。这两款麦克风诠释了一个全新的麦克风制造理念——RF射频电容式,即采用小而薄的振动膜,具有体积小,重量轻的特点,同时能够保证出色的音质;另外,这种麦克风对电磁干扰非常敏感。它们对气候的影响具有很强的抗干扰性能,非常适用于一些全新的领域,例如,探险队使用,日夜在室外操作,面对温差极大的、气候恶劣的户外条件,该麦克风仍然表现出众 [8]

参考资料
  • 1.  叶世荪,叶佳宁著,上海话外来语二百例,上海大学出版社,2015.09,第132页
  • 2.  周小东编著,录音工程师手册(第2版),中国广播电视出版社,2015.04,第54页
  • 3.  刘晓为,陈伟平著,MEMS传感器接口 ASIC集成技术=ASIC TECHNOLOGY OF MEMS SENSOR INTERFACE,国防工业出版社,2013.02,第206页
  • 4.  杨华编著,磁 权威版,现代出版社,2013.03,第5页
  • 5.  范俊军编著,中国田野语言学概要 试用本=Introduction to Chinese fieldwork linguistics,广东人民出版社,2016.05,第98页
  • 6.   范俊军,中国田野语言学概要,广东人民出版社,2016.05,第100页
  • 7.  (英)汤姆·安著,新DV手册,中国摄影出版社,2006年01月第1版,第41页
  • 8.  杨建峰主编,细说趣说万事万物由来,西安电子科技大学出版社,2015.07,第224页

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