麥克風傳感器的類別、特性及其設計選型

文章 概述

本文中，DigiKey全面介紹了麥克風傳感器的 核心特性 與 應用場景 。系統闡述了三大類別的麥克風傳感器，分析了各類別的特性及適用場景，并提出了設計選型的五大核心要點。此外，文章針對音頻質量優化，提出了噪聲干擾抑制、指向性增強、靈敏度提升等具體方法，為麥克風傳感器的選型、設計提供了系統性指導。

麥克風傳感器 是一種把聲音信號轉換成電信號的裝置，可進行聲壓到電壓的轉換，麥克風的核心是壓電器件，例如壓電陶瓷或壓電聚合物，當聲波激發壓電器件時，它會產生相應的電荷，從而將聲壓轉換為電壓信號。

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麥克風的基本特性

• 信號處理 ：麥克風的輸出通常是微弱的電壓信號，需要通過內部或外部的放大電路來增強信號強度，以便后續電子器件可以處理這些信號。其輸出還可能需要經過濾波和其他信號處理步驟，以去除噪聲、調整頻率響應等。

• 靈敏度與頻率響應 ：麥克風的靈敏度是指其對聲壓變化的反應程度，通常以每帕斯卡（Pa）或分貝（dB）來表示。不同型號的麥克風在不同頻率范圍內的響應特性不同，有些麥克風適合捕捉低頻聲音，而有些則更適合于高頻聲音。

• 指向性 ：麥克風可能具有不同的指向性，例如全指向性（接收所有方向的聲音）、心形指向性（主要接收正前方聲音，降低側面和背面聲音）等。一些高端麥克風具有噪聲抑制功能，可以有效降低環境噪聲對聲音信號的干擾。

• 耐用性與接口 ：麥克風通常需要具有良好的耐用性和抗干擾性，特別是在嘈雜的環境中使用時。此外，麥克風的輸出接口可以是模擬或數字輸出，常見的連接方式包括XLR插頭、USB接口等。麥克風傳感器可用于各種應用場景，例如錄音、語音識別、通信等，應用相當廣泛。

  麥克風傳感器

多種麥克風傳感器類型的不同特性

麥克風傳感器有多種類型，每種類型都具有不同的特性和適用場景。主要可以分成電容式麥克風、動圈麥克風與微機電麥克風等。

駐極體電容麥克風

1. 電容麥克風

電容麥克風（Condenser Microphones）也稱為靜電麥克風，是一種常見的麥克風傳感器類型。其由兩個導體之間形成的電容器結構組成，其中一個導體固定不動（稱為固定板或背板），另一個導體可以移動（稱為膜片）。當聲波作用于膜片時，膜片會隨之振動，從而改變電容器的電容值。隨著電容值的變化，麥克風內部的電荷也會發生變化，形成對應于聲音信號的電荷變化。電荷變化被轉換為電壓信號，并通過麥克風的輸出端口輸出，進而被后續的放大器和處理器轉換成聲音信號。

電容麥克風傳感器具有非常高的靈敏度 ，能夠捕捉到細微的聲音細節。其頻率響應范圍廣，能夠捕捉到全頻段的聲音，包括低頻和高頻。由于靈敏度高，電容麥克風傳感器的信噪比較好，能夠清晰地捕捉聲音信號而排除噪聲。

電容麥克風傳感器需要外部供電（通常是由麥克風接口或獨立電源提供），以維持電容器結構的正常工作。由于其工作原理，電容麥克風在信號精確度和動態范圍方面表現出色，廣泛應用于錄音室錄音、廣播、電影拍攝、語音識別等需要高質量聲音捕捉的場合。

駐極電容麥克風（Electret Condenser Microphones） ：這是一種特殊類型的電容麥克風傳感器，駐極電容麥克風在固定板或背板上添加了一個永久性的駐極電荷，由于駐極體材料自身帶有靜電偏壓，所以無需給電容增加偏壓供電，使得麥克風不需外部供電也可以正常工作。但一般駐極電容麥克風傳感器也內建有電子電路以放大信號，因此仍需以低電壓供電（常規電壓是1.0V-10V），其他的特性則與普通電容麥克風傳感器相似。

動圈麥克風

2. 動圈麥克風

動圈麥克風（Dynamic Microphones）是一種常見的麥克風傳感器類型。動圈麥克風使用一個動態磁場和一個固定在磁場中的導體圈（稱為動圈），當聲波造成動圈振動時，導體圈在磁場中運動產生感應電流。感應電流通過導體圈時，產生的電流與動態磁場相互作用，就產生了與聲波頻率和振幅相對應的電信號。產生的電信號通過麥克風的輸出端口輸出，經過后續放大和處理后轉換為聲音信號。動圈麥克風傳感器具有 耐用、成本較低、不需要外部電源（自供電） 等特性，適合用于現場表演、演講和一般錄音。不過 其高頻響應相對較差，動態范圍較窄。

動圈麥克風傳感器由于沒有易損的器件（如電容麥克風的薄膜），比電容麥克風傳感器更不容易超載和失真，因此相對耐用，尤其適合于現場演出和KTV等高強度使用。其設計使其具有較低的自身噪聲水平，有助于清晰地捕捉聲音。

動圈麥克風傳感器的靈敏度一般較低，但可以通過放大器進行增益來提高靈敏度。 其頻率響應通常比電容麥克風傳感器來得窄，對于捕捉低頻聲音的能力較強，且成本通常比較低廉，是許多用戶首選的麥克風類型之一。

微機電（ MEMS ）麥克風

3. 微機電麥克風（MEMS）

微機電麥克風（Microelectromechanical Systems Microphone, MEMS Microphone）是一種利用微機電系統技術制造的麥克風傳感器，具有 高度集成、小型化、低功耗 等特點。微機電麥克風利用微機電系統技術制造，通常包括微型機械結構和集成的電子器件。

微機電麥克風傳感器的核心部件是微型振動膜片，當聲波作用于膜片時，膜片會產生微小的振動。膜片的振動導致電容器的電容值變化，這種電容值的變化與聲波的頻率和振幅有關。電容值的變化被轉換為對應的電壓信號，并通過麥克風傳感器的輸出端口輸出，進而被后續的放大器和處理器轉換成聲音信號。

微機電麥克風傳感器相比傳統麥克風更加小巧輕便，適合在空間有限的設計中使用。它可以與其他微機電器件或電子器件高度集成，提高系統總體性能。微機電麥克風傳感器通常具有較低的功耗，有助于延長電池壽命或節省能源。

盡管尺寸小，但 微機電麥克風傳感器的靈敏度通常也很高 ，能夠捕捉到細微的聲音細節。其頻率響應范圍廣，能夠捕捉到全頻段的聲音，并通常具有較高的可靠性和壽命，適合長時間穩定運行。微機電麥克風傳感器廣泛應用于智能手機、耳機、無線通信設備、聲音傳感系統等各種消費類電子產品和工業應用中。

選擇麥克風傳感器的注意事項

選擇麥克風傳感器時，需要考慮多個因素以確保性能和功能符合需求：

1. 應用需求分析 ：確定麥克風將使用的具體應用場景，例如錄音室錄音、現場演出、語音識別、通信系統等，以及使用現場的環境條件，考慮使用環境的噪聲水平、溫度范圍、濕度等因素，選擇符合環境要求的麥克風傳感器。

2. 靈敏度和頻率響應 ：根據需要捕捉的聲音強度和細節程度，選擇適當靈敏度的麥克風傳感器，并根據需要捕捉的聲音頻率范圍，選擇具有適當頻率響應的麥克風傳感器。

3. 指向性 ：對于需要捕捉來自所有方向聲音的應用，應選擇全指向性麥克風傳感器；對于需要主要捕捉正前方聲音并減少側面和背面聲音的應用，選擇心形指向性麥克風傳感器。

4. 噪聲抑制功能 ：對于需要減少環境噪聲對聲音信號干擾的應用，應選擇具有噪聲抑制功能的麥克風傳感器。

5. 耐用性 ：考慮麥克風傳感器的耐用性，特別是在高強度使用或惡劣環境下的耐用性，并選擇有良好質量保證和信譽的品牌或制造商的麥克風傳感器，以確保性能穩定可靠。

6. 電源供應 ：根據系統的電源供應情況，選擇適合的麥克風傳感器，例如需要外部供電的電容麥克風傳感器或微機電麥克風傳感器，以及無需外部供電的動圈麥克風傳感器。

7. 成本與性能平衡 ：考慮麥克風傳感器的成本，并在性能和成本之間取得平衡，確保符合預算，并評估麥克風傳感器的性能和功能是否能夠實現預期的效益和價值。在選擇和設計后，進行麥克風的測試驗證，確保性能符合需求并進行必要的調校和優化。

應用麥克風傳感器的常見問題與解決方案

在應用麥克風傳感器時，常見的問題包括 噪聲干擾、指向性不足、靈敏度不足、接收距離限制 等。以下是一些解決方案：

1. 噪聲干擾

• 解決方案 ：使用具有噪聲抑制功能的麥克風傳感器，例如降噪麥克風，或者設計有效的濾波器和信號處理器來減少噪聲的影響。

• 環境隔離 ：在嘈雜環境下使用麥克風時，應采取環境隔離措施，例如將麥克風遠離噪聲源或使用隔音罩等方式減少環境噪聲干擾。

2. 指向性不足

• 選擇合適的麥克風 ：根據應用需求選擇具有較好指向性的麥克風傳感器，例如心形指向性麥克風。

• 使用附加設備 ：使用擴音器、反射板等指向性附件來增強麥克風的指向性。

3. 靈敏度不足

• 選擇高靈敏度麥克風 ：使用靈敏度較高的麥克風傳感器。

• 增加放大器增益 ：通過增加放大器的增益來提高靈敏度。

• 優化位置和方向 ：適當調整麥克風傳感器的位置和方向，以獲得更好的靈敏度。

4. 接收距離限制

• 使用專業級麥克風 ：選擇專業級麥克風，這些麥克風通常具有更遠的接收距離。

• 增加麥克風數量 ：通過增加麥克風傳感器的數量來擴展接收范圍。

• 使用強大的接收器和信號處理器 ：使用更強大的接收器和信號處理器來增強信號傳輸和處理能力。

5. 信號失真

• 使用高質量設備 ：選擇高質量的麥克風和接收器。

• 定期檢測和校準 ：定期進行設備檢測和校準，確保設備性能穩定。

• 調整設備設置 ：適當調整設備的設置和參數。

• 維護和清潔 ：注意麥克風的維護和清潔，防止灰塵和雜物影響信號質量。

整體來說，解決麥克風傳感器在應用中的問題需要綜合考慮許多因素，包括 選擇適合的麥克風類型、使用噪聲抑制技術、增加指向性、提高靈敏度、擴展接收距離 等方面的策略，以確保麥克風的性能和功能得到最佳發揮。

結語

麥 克風傳感器已經廣泛地 使用在各種需要收集音頻的電子產品之中，像是智能手機、智能音箱， 以及各種錄音設備之中，應用相當廣泛。在選擇麥克風傳感器時需要考慮應用場景、聲音環境、靈敏度和頻率響應、指向性、電源需求、質量和可靠性、耐用性、成本效益、測試和校準等因素，以確保麥克風的良好性能。