麦克风传感器的类别、特性及其设计选型

文章 概述

本文中，DigiKey全面介绍了麦克风传感器的 核心特性 与 应用场景 。系统阐述了三大类别的麦克风传感器，分析了各类别的特性及适用场景，并提出了设计选型的五大核心要点。此外，文章针对音频质量优化，提出了噪声干扰抑制、指向性增强、灵敏度提升等具体方法，为麦克风传感器的选型、设计提供了系统性指导。

麦克风传感器 是一种把声音信号转换成电信号的装置，可进行声压到电压的转换，麦克风的核心是压电器件，例如压电陶瓷或压电聚合物，当声波激发压电器件时，它会产生相应的电荷，从而将声压转换为电压信号。

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麦克风的基本特性

• 信号处理 ：麦克风的输出通常是微弱的电压信号，需要通过内部或外部的放大电路来增强信号强度，以便后续电子器件可以处理这些信号。其输出还可能需要经过滤波和其他信号处理步骤，以去除噪声、调整频率响应等。

• 灵敏度与频率响应 ：麦克风的灵敏度是指其对声压变化的反应程度，通常以每帕斯卡（Pa）或分贝（dB）来表示。不同型号的麦克风在不同频率范围内的响应特性不同，有些麦克风适合捕捉低频声音，而有些则更适合于高频声音。

• 指向性 ：麦克风可能具有不同的指向性，例如全指向性（接收所有方向的声音）、心形指向性（主要接收正前方声音，降低侧面和背面声音）等。一些高端麦克风具有噪声抑制功能，可以有效降低环境噪声对声音信号的干扰。

• 耐用性与接口 ：麦克风通常需要具有良好的耐用性和抗干扰性，特别是在嘈杂的环境中使用时。此外，麦克风的输出接口可以是模拟或数字输出，常见的连接方式包括XLR插头、USB接口等。麦克风传感器可用于各种应用场景，例如录音、语音识别、通信等，应用相当广泛。

  麦克风传感器

多种麦克风传感器类型的不同特性

麦克风传感器有多种类型，每种类型都具有不同的特性和适用场景。主要可以分成电容式麦克风、动圈麦克风与微机电麦克风等。

驻极体电容麦克风

1. 电容麦克风

电容麦克风（Condenser Microphones）也称为静电麦克风，是一种常见的麦克风传感器类型。其由两个导体之间形成的电容器结构组成，其中一个导体固定不动（称为固定板或背板），另一个导体可以移动（称为膜片）。当声波作用于膜片时，膜片会随之振动，从而改变电容器的电容值。随着电容值的变化，麦克风内部的电荷也会发生变化，形成对应于声音信号的电荷变化。电荷变化被转换为电压信号，并通过麦克风的输出端口输出，进而被后续的放大器和处理器转换成声音信号。

电容麦克风传感器具有非常高的灵敏度 ，能够捕捉到细微的声音细节。其频率响应范围广，能够捕捉到全频段的声音，包括低频和高频。由于灵敏度高，电容麦克风传感器的信噪比较好，能够清晰地捕捉声音信号而排除噪声。

电容麦克风传感器需要外部供电（通常是由麦克风接口或独立电源提供），以维持电容器结构的正常工作。由于其工作原理，电容麦克风在信号精确度和动态范围方面表现出色，广泛应用于录音室录音、广播、电影拍摄、语音识别等需要高质量声音捕捉的场合。

驻极电容麦克风（Electret Condenser Microphones） ：这是一种特殊类型的电容麦克风传感器，驻极电容麦克风在固定板或背板上添加了一个永久性的驻极电荷，由于驻极体材料自身带有静电偏压，所以无需给电容增加偏压供电，使得麦克风不需外部供电也可以正常工作。但一般驻极电容麦克风传感器也内建有电子电路以放大信号，因此仍需以低电压供电（常规电压是1.0V-10V），其他的特性则与普通电容麦克风传感器相似。

动圈麦克风

2. 动圈麦克风

动圈麦克风（Dynamic Microphones）是一种常见的麦克风传感器类型。动圈麦克风使用一个动态磁场和一个固定在磁场中的导体圈（称为动圈），当声波造成动圈振动时，导体圈在磁场中运动产生感应电流。感应电流通过导体圈时，产生的电流与动态磁场相互作用，就产生了与声波频率和振幅相对应的电信号。产生的电信号通过麦克风的输出端口输出，经过后续放大和处理后转换为声音信号。动圈麦克风传感器具有 耐用、成本较低、不需要外部电源（自供电） 等特性，适合用于现场表演、演讲和一般录音。不过 其高频响应相对较差，动态范围较窄。

动圈麦克风传感器由于没有易损的器件（如电容麦克风的薄膜），比电容麦克风传感器更不容易超载和失真，因此相对耐用，尤其适合于现场演出和KTV等高强度使用。其设计使其具有较低的自身噪声水平，有助于清晰地捕捉声音。

动圈麦克风传感器的灵敏度一般较低，但可以通过放大器进行增益来提高灵敏度。 其频率响应通常比电容麦克风传感器来得窄，对于捕捉低频声音的能力较强，且成本通常比较低廉，是许多用户首选的麦克风类型之一。

微机电（ MEMS ）麦克风

3. 微机电麦克风（MEMS）

微机电麦克风（Microelectromechanical Systems Microphone, MEMS Microphone）是一种利用微机电系统技术制造的麦克风传感器，具有 高度集成、小型化、低功耗 等特点。微机电麦克风利用微机电系统技术制造，通常包括微型机械结构和集成的电子器件。

微机电麦克风传感器的核心部件是微型振动膜片，当声波作用于膜片时，膜片会产生微小的振动。膜片的振动导致电容器的电容值变化，这种电容值的变化与声波的频率和振幅有关。电容值的变化被转换为对应的电压信号，并通过麦克风传感器的输出端口输出，进而被后续的放大器和处理器转换成声音信号。

微机电麦克风传感器相比传统麦克风更加小巧轻便，适合在空间有限的设计中使用。它可以与其他微机电器件或电子器件高度集成，提高系统总体性能。微机电麦克风传感器通常具有较低的功耗，有助于延长电池寿命或节省能源。

尽管尺寸小，但 微机电麦克风传感器的灵敏度通常也很高 ，能够捕捉到细微的声音细节。其频率响应范围广，能够捕捉到全频段的声音，并通常具有较高的可靠性和寿命，适合长时间稳定运行。微机电麦克风传感器广泛应用于智能手机、耳机、无线通信设备、声音传感系统等各种消费类电子产品和工业应用中。

选择麦克风传感器的注意事项

选择麦克风传感器时，需要考虑多个因素以确保性能和功能符合需求：

1. 应用需求分析 ：确定麦克风将使用的具体应用场景，例如录音室录音、现场演出、语音识别、通信系统等，以及使用现场的环境条件，考虑使用环境的噪声水平、温度范围、湿度等因素，选择符合环境要求的麦克风传感器。

2. 灵敏度和频率响应 ：根据需要捕捉的声音强度和细节程度，选择适当灵敏度的麦克风传感器，并根据需要捕捉的声音频率范围，选择具有适当频率响应的麦克风传感器。

3. 指向性 ：对于需要捕捉来自所有方向声音的应用，应选择全指向性麦克风传感器；对于需要主要捕捉正前方声音并减少侧面和背面声音的应用，选择心形指向性麦克风传感器。

4. 噪声抑制功能 ：对于需要减少环境噪声对声音信号干扰的应用，应选择具有噪声抑制功能的麦克风传感器。

5. 耐用性 ：考虑麦克风传感器的耐用性，特别是在高强度使用或恶劣环境下的耐用性，并选择有良好质量保证和信誉的品牌或制造商的麦克风传感器，以确保性能稳定可靠。

6. 电源供应 ：根据系统的电源供应情况，选择适合的麦克风传感器，例如需要外部供电的电容麦克风传感器或微机电麦克风传感器，以及无需外部供电的动圈麦克风传感器。

7. 成本与性能平衡 ：考虑麦克风传感器的成本，并在性能和成本之间取得平衡，确保符合预算，并评估麦克风传感器的性能和功能是否能够实现预期的效益和价值。在选择和设计后，进行麦克风的测试验证，确保性能符合需求并进行必要的调校和优化。

应用麦克风传感器的常见问题与解决方案

在应用麦克风传感器时，常见的问题包括 噪声干扰、指向性不足、灵敏度不足、接收距离限制 等。以下是一些解决方案：

1. 噪声干扰

• 解决方案 ：使用具有噪声抑制功能的麦克风传感器，例如降噪麦克风，或者设计有效的滤波器和信号处理器来减少噪声的影响。

• 环境隔离 ：在嘈杂环境下使用麦克风时，应采取环境隔离措施，例如将麦克风远离噪声源或使用隔音罩等方式减少环境噪声干扰。

2. 指向性不足

• 选择合适的麦克风 ：根据应用需求选择具有较好指向性的麦克风传感器，例如心形指向性麦克风。

• 使用附加设备 ：使用扩音器、反射板等指向性附件来增强麦克风的指向性。

3. 灵敏度不足

• 选择高灵敏度麦克风 ：使用灵敏度较高的麦克风传感器。

• 增加放大器增益 ：通过增加放大器的增益来提高灵敏度。

• 优化位置和方向 ：适当调整麦克风传感器的位置和方向，以获得更好的灵敏度。

4. 接收距离限制

• 使用专业级麦克风 ：选择专业级麦克风，这些麦克风通常具有更远的接收距离。

• 增加麦克风数量 ：通过增加麦克风传感器的数量来扩展接收范围。

• 使用强大的接收器和信号处理器 ：使用更强大的接收器和信号处理器来增强信号传输和处理能力。

5. 信号失真

• 使用高质量设备 ：选择高质量的麦克风和接收器。

• 定期检测和校准 ：定期进行设备检测和校准，确保设备性能稳定。

• 调整设备设置 ：适当调整设备的设置和参数。

• 维护和清洁 ：注意麦克风的维护和清洁，防止灰尘和杂物影响信号质量。

整体来说，解决麦克风传感器在应用中的问题需要综合考虑许多因素，包括 选择适合的麦克风类型、使用噪声抑制技术、增加指向性、提高灵敏度、扩展接收距离 等方面的策略，以确保麦克风的性能和功能得到最佳发挥。

结语

麦 克风传感器已经广泛地 使用在各种需要收集音频的电子产品之中，像是智能手机、智能音箱， 以及各种录音设备之中，应用相当广泛。在选择麦克风传感器时需要考虑应用场景、声音环境、灵敏度和频率响应、指向性、电源需求、质量和可靠性、耐用性、成本效益、测试和校准等因素，以确保麦克风的良好性能。