智能語音助理成為當紅炸子雞，作為相關應用不可或缺的聲音感測器，麥克風的市場規(guī)模也將出現明顯爆發(fā)，其中又以MEMS麥克風受惠最大。至于駐極體麥克風(ECM)，雖然具有高訊噪比(SNR)的優(yōu)勢，但因為匹配工作相對繁瑣，對于需要采用陣列架構的智能語音助理應用來說，并非最理想的選擇。

研究機構Yole預估，在智能語音助理、車用等應用需求爆發(fā)的加持下，MEMS麥克風的出貨量將穩(wěn)定成長，到2022年時，年出貨量可望超過80億顆；ECM麥克風出貨量則緩慢萎縮，到2022年時，出貨量約僅在30億顆左右。如此龐大的市場，我們有必要重視一下這個產品的技術了。

MEMS麥克風的結構和工作模式概述

MEMS麥克風含一個可移動的膜片和靜態(tài)背板，矽晶圓基板上采用常見的沉積和選擇性蝕刻的工藝制作。背板有穿孔，允許空氣流通而不引起偏離。膜片的設計是為了適應聲波引起的氣壓變化。彎曲會造成膜片相對背板移動，產生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個配套IC將此電容變化轉換成一個模擬或數字格式的電訊號。

市場上有模擬或數字輸出的MEMS麥克風。模擬麥克風基本上包含MEMS換能器和配套的模擬放大器集成電路(IC)，是一種用于小型手持裝置的熱門方案，像是功能手機與入門級到中階的智能型手機。

數字化

整合模擬調節(jié)訊號和模擬數字轉換器（ADC）的數字麥克風通常是PC或高階智能型手機的首選裝置。數字技術利用固有的更高射頻和抗電磁干擾（EMI）實現更佳的音訊性能，如圖一所示。此外，電路設計和電路板布局可以簡化，更易于更動設計，無需修改電阻和電容值。

圖一: 數字化改進抗噪性

大多的數字麥克風還有時脈和一個L / R控制的輸入。時脈輸入用來控制Δ?調變器，將感測器的模擬訊號轉換成數字脈沖密度調變（PDM）訊號。典型的時脈頻率范圍從1MHz至3.5 MHz。麥克風的輸出被驅動到所選擇的時脈邊緣的適當水準，接著進入一個高阻抗狀態(tài)的時脈周期的另一半。這使兩個數字麥克風輸出能共用單條數據線（圖二）。L / R輸入確定有效數據的時脈邊緣。

圖二: 數字麥克風可減少傳輸線數量

數字MEMS麥克風具有高抗噪性和簡化電路設計的優(yōu)點，適用于多麥克風陣列以消除回音和雜訊，以及波束形成以實現定向靈敏度。為讓智能型手機能消除雜訊，一種常見方法是在遠離主語音麥克風之處放置一個或多個額外麥克風，例如在外殼邊緣或背面，檢測來自周圍環(huán)境的雜訊，再從語音麥克風的輸出中減去，能提高通話品質。降噪麥克風也經常用于影音錄制模式。

波束形成還使用到兩個或多個麥克風陣列。雖然大多數麥克風有全向靈敏度，但一些應用可得益于一個特定方向所增加的靈敏度或在其他方向降低靈敏度，例如在電話會議中或行車通話時提高音訊品質和清晰度。根據從不同方向傳來的聲音相位差，波束形成可利用數字演算法到陣列的麥克風輸出，而且還能判定特定聲音傳來的方向。

關于麥克風的主要技術特性

1．靈敏度

靈敏度是表示麥克風聲電轉換效率的重要指標。它表示在自由聲場中，麥克風頻率為1KHz恒定聲壓下與聲源正向（即聲入射角為零）時所測得的開路輸出電壓。單位為毫伏/帕。1Pa＝10bar1ubar大致相當于人正常說話音量，在1m遠處測得的聲壓。

動圈式麥克風靈敏度約1.5～4毫伏/帕，而電容式麥克風靈敏度比動圈式高10倍左右，約20毫伏/帕。

麥克風的靈敏度也有用分貝（db）表示，規(guī)定1伏、帕為0db。由于靈敏度都比1伏/帕小得多，所以表示的靈敏度都一db。

麥克風靈敏度高是件好事，它可以向調音臺提供較高輸入電平，可以提高信噪比，但太高其輸出電壓也高，容易產生過激失真。

用于卡拉OK演唱時，麥克風與嘴巴的距離很近，所以對靈敏度的要求并不高。如果用于樂隊錄音或舞臺劇演出，則對靈敏度的要求較高。

2．頻率響應

頻率響應是反映麥克風電轉換過程中對頻率失真的一個重要指標。麥克風在恒定聲壓和規(guī)定入射角聲波作用下，各頻率聲波信號的開路輸出電壓與規(guī)定頻率麥克風開路輸出電壓之比，稱為麥克風的頻率響應，用分貝（db）表示。一般專業(yè)用麥克風頻響曲線容差范圍在2db。頻率響應是麥克風接受到不同頻率聲音時，輸出信號會隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。最理想的頻率響應曲線為一條水平線，代表輸出信號能直實呈現原始聲音的特性，但這種理想情況不容易實現。

頻率響應曲線圖中，橫軸為頻率，單位為赫茲（Hz），大部份情況取對數來表示；縱軸則為音強，單位為分貝（db）。0分貝代表麥克風的輸出信號跟原始聲音一致，沒有被改變；大于0分貝代表輸出信號被放大；小于0分貝則代表輸出信號被衰減。

麥克風使用場合不同，要求頻響范圍和不均勻度范圍也不同。

動圈麥克風往往不取平坦頻響曲線，而在高頻段（3～5KHz）稍有提升，這樣可增加拾音明亮度和清晰度。一般在離聲源很近距離使用時，會出現低頻提升現象稱為"近講效應"，所以在150Hz以下低頻段較好有明顯衰減。

電容式麥克風的頻率響應曲線會比動圈式的來得平坦，還原更為真實。常見的麥克風頻率響應曲線大多為高低頻衰減，而中高頻略為放大；低頻衰減可以減少錄音環(huán)境周遭低頻噪音的干擾。

3．指向特性

麥克風靈敏度隨聲波入射方向的變化而變化的特性稱為指向性。常用指向圖來表示。用不同指向特性的麥克風拾音時，對直達聲／混響聲的比例有很大影響。我們可以根據聲源選擇合適指向性的麥克風。

常見指向性有全向型（無指向）、心形、超心型、銳心型、8字型（雙向）等幾種。

a.無指向：此特性對所有方向聲波入射有同等靈敏度。要拾取環(huán)境聲時，通常都會使用全指向性的麥克風，這樣拾取到的聲音會有強烈的空間感 、但在環(huán)境噪聲大的條件下不宜采用。

b.心形：此特性對正面180度方向聲波入射有效，背面聲音被抑制。正面靈敏度較大側面稍小，背面較小。如要拾取正前方的聲源，心形指向性的麥克風較為理想。

c.銳心型：此特性正面110度入射角，抑制聲反饋較好。

d.超心型（單指向性麥克風）：此特性正背面90度入射角同等效果。 它的指向性比心形麥克風更尖銳，正面靈敏度極高，其它方向靈敏度急劇衰減，特別適用于高噪音的環(huán)境和立體聲拾音等。

4、輸出阻抗：

從麥克風的引線兩端看進去的麥克風本身的阻抗稱為輸出阻抗。 目前常見的麥克風有高阻抗與低阻抗之分。高阻抗的數值約1000～20000歐姆，它可直接和放大器相接；面低阻抗型為50～1000歐姆，要經過變壓器匹配后，才能和放大器相接。高組抗的輸出電壓略高，但引線電容所起的旁路作用較大，使高頻下降，同時也易受外界的電磁場干擾，所以，麥克風引線不宜太長，一般以10～20米為宜。低阻抗輸出無此缺陷，所以噪音水平較低，傳聲器引線可相應的加長，有的擴音設備所帶的低阻抗傳聲器引線可達100米。如果距離更長，就應加前級放大器。

5．動態(tài)范圍

是指麥克風輸出較小有用信號和較大不失真信號之間電頻差。動態(tài)范圍小，會引起聲音失真，音質變壞，因此要求有足夠大的動態(tài)范圍。

6.信噪比

指在規(guī)定輸入電壓下的輸出信號電壓與輸入電壓切斷時輸出所殘留之雜音電壓之比，也可看成是較大不失真聲音信號強度與同時發(fā)出的噪音強度之間的比率，通常以S/N表示，一般用分貝（dB）為單位。信噪比越高越好，信噪比越大，則表示混在信號里的雜波越少，還原質量就越高。

7.較大輸入聲壓級

較大輸入聲壓級是麥克風所能承受的達到0.5總諧波失真的較大聲壓級的度量，一般用分貝（dB）表示。

無論什么型號的麥克風，其聲一電變換非線性畸變都會隨聲音聲壓級的增加而加大，所以，每種麥克風都有一個“較高適用聲壓級”的限度。當麥克風所處的聲壓級超過這個限度時，麥克風輸出的電信號的非線性畸變會超過它能允許的程度，后面的電聲設備就無法加以校正了。所以，使用的麥克風必須要滿足其在拾音點的聲壓級的要求。

專業(yè)麥克風的較大輸入聲壓級一般定得較高，只要它和聲源間的距離得當，就不會產生可聞的失真。

8.音色

麥克風的技術參數，對我們按不同用途或要求，使用麥克風起到很好的參考作用，但不是的，尤其是麥克風的音色是不能用技術參數作標準的，音色更多取決于聲音的諧波，而影響諧波的因素非常多，環(huán)境、演唱者、擴聲錄音器材是最主要的，甚至一個麥克風支架、一塊窗簾、一顆小小的螺絲都會對音色有影響。