智能音箱 之 麦克风参数介绍

1. 定义

   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；声—电转换。

              与扬声器正好相反（电—声转换），构成电声设备的两个终端，俗称咪头，麦克等。

              是电声系统的入口，关键器件，也是最为薄弱环节。在整个电音系统中比重占比大致为30~40%（50~60%、10~20%）

2. 分类

转换原理分：电动式（动圈式）质好 体大

                     电容式（驻极体式即ECM、硅麦）本低体小 流行

                     压电式（晶体式、陶瓷式）接触场合

按指向性分：全向、单向、双向

按信号类型：数字、模拟

3. ECM和MEMS对比

4. 技术参数：灵敏度

灵敏度：单位声压强下，所能产生电压大小的能力；

当MIC接入标准测试电路，输入1kHz/1Pa的声压（94dB），输出端显示电压大小，即为灵敏度。

如输出电压为1V，则灵敏度为0dB。

20lgVo=20lg(xx mV/1V)=-32dB

则  xx=25 mV       

5. 技术参数：方向性

全向：

只从外壳底部的声孔接收声音，对各个方向的声波都有相同的灵敏度；

场景：手机、PAD、电脑等。

单向：

前后均有声孔，后声孔有个延迟声波作用的阻尼，180度有声音的时候通过延迟将声波抵消，很强的屏蔽噪声效果；

场景：KalaOK、摄像功能设备等。

双向：

也有两声孔，保证0度和180度方向接收的声波存在瞬间压差，90°和270°的压差为0，所以无输出；

场景：无线耳机，头戴耳机等。

6. 技术参数：频响曲线

灵敏度的定义是在1KHz下麦克风的响应，在不同频点的灵敏度就形成一条频响曲线；

用于语音采集的麦克风，频响曲线有一定要求：

1- 频响曲线在100~10K频宽就可以满足采集需求；

2- 频率在100~2K频段响应公差范围在+/-3dB内；

3- 在5~10K高频处响应要平滑，不能有大的波动起伏；15K 20K

7. 技术参数：信噪比

信噪比是指原始信号与MIC自身内部噪音的比值，单位是dB；

一般是输入94dB的声压时，减去此时内部噪声强度计算，信噪比越高越好，噪音主要来自FET。

SNR是70dB-φ6     φ4的一般只有58dB    FET等级相关；

8. 技术参数：工作电压、电流、输出阻抗、封装等

工作电压：

模拟麦的偏置电压，为FET提供适合的静态工作点，一般设置在2V；

保证mic输出的交流信号工作在线性区（恒流区），FET的最大电流是500uA，输出电阻一般2K左右，那么mic最大电压是1V，所以偏置电压一般设置在2V。

数字麦的工作电压一般在1.6~3.6V;由于其高度集成，数字电路常规接口电压为3.3V和1.8V。

工作电流：

模拟麦：为了保证FET工作在线性区又称饱和区恒流区，Vds>0.7V，所以 Id<（1.8-0.7V）/2.2K=0.5mA；

数字麦：集成了ADC和接口控制器等电路，故其总电流一般不超过1.5mA；

输出阻抗：

模拟麦：一方面阻抗越大，输出电压越高，太高会存在干扰大的问题；

             另外一方面，跟后端ADC的输入阻抗有关，输出阻抗要小于ADC的输入阻抗，否则声音会有损失。

封装：

驻极体麦：针脚式—可以直接焊接在PCB上；焊脚式—焊接引线到相应插头上；

硅麦：表贴安装，顶部拾音和底部拾音。

9.Bias对麦克风影响

对于模拟麦克风来说，需要bias偏置电压为FET提供合适的静态工作点，使其工作在线性区；但是bias的噪声对麦克风性能影响很大，将直接影响拾音效果。举例：灵敏度为-32dB，信噪比为70dB的麦克风，bias噪声为10uV时。

-32dB = 20lgVo = 20lg(xx mV/1V)      则  xx = 25 mV  为输出绝度值

SNR = 70dB = 20lg (25mV / yy mV)   则 yy = 8uV   为噪音的绝对值

Vn2 = 102 + 82  则Vn = 12.8uV    为bias耦合后的噪音绝对值

SNR = 20lg (25mV / 12.8 uV)  =  65.8dB    为实际信噪比

在应用中的表现就是同样测试环境下，bias噪声比较大的麦阵电路在小声音唤醒和远场唤醒效果比噪声小的唤醒率低很多，

会直接体现在语音识别率上，最终表现在产品体验上。

 

10. 注意事项

以下经验总结，均是来源于实际项目经验总结，前期注意到避免跌入坑中，对产品样机后期做专项测试会有很大帮助；

电路方面：

u偏置阻容器件靠近IC放置，务必确保bias电源干净纹波小，EMC电容靠近MIC放置；

u布局布线远离干扰源，保证MIC接地良好；

uMICP/N走差分线，周围包地以及参考良好;

uPCB圆环焊盘与音孔之间留有少许距离，避免锡膏落入音孔。

制程方面：

Ø音孔圆环焊盘焊接：采用低flux锡膏不能太厚，钢网需要多段式，最后一次过炉；---锡膏不能进入音孔；

Ø贴装精度：制作金属夹具载具，清洁传送带，SMT吸嘴避开音孔附近；

Ø焊接检查：焊接后圆环的完整性，避免环内、外相通造成漏音；

Ø分板与清洗：避免用气枪毛刷超声清洗液等手段清洁作业，物料避免抽真空；

                      （过程中可以借助纸贴保护振膜）

结构方面：

声学路径：声音通过收音孔进入封装振膜的路径；所有结构尺寸需要考虑到波长  λ =c/f。

u麦克风开放空间外表面要充分透声，不能形成声反射区，外表面可以用布料等材料避免反射；

u声音需要接近自由场的方式直达而非反射到每个麦克，路径尽量短宽，不能有空腔，避免掩蔽效应；

u麦克风的收音路径要唯一，不能从结构腔体内收音；

u麦克风本身要远离干扰和振动，结构部件做好减振缓冲设计。

11. 智能音箱麦克风收音孔实例