智能語(yǔ)音技術(shù)之麥克風(fēng)的主要技術(shù)特性分析

智能語(yǔ)音助理成為當(dāng)紅炸子雞，作為相關(guān)應(yīng)用不可或缺的聲音感測(cè)器，麥克風(fēng)的市場(chǎng)規(guī)模也將出現(xiàn)明顯爆發(fā)，其中又以MEMS麥克風(fēng)受惠最大。至于駐極體麥克風(fēng)(ECM)，雖然具有高訊噪比(SNR)的優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)槠ヅ涔ぷ飨鄬?duì)繁瑣，對(duì)于需要采用陣列架構(gòu)的智能語(yǔ)音助理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，并非最理想的選擇。

研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)估，在智能語(yǔ)音助理、車用等應(yīng)用需求爆發(fā)的加持下，MEMS麥克風(fēng)的出貨量將穩(wěn)定成長(zhǎng)，到2022年時(shí)，年出貨量可望超過80億顆；ECM麥克風(fēng)出貨量則緩慢萎縮，到2022年時(shí)，出貨量約僅在30億顆左右。如此龐大的市場(chǎng)，我們有必要重視一下這個(gè)產(chǎn)品的技術(shù)了。

MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和工作模式概述

MEMS麥克風(fēng)含一個(gè)可移動(dòng)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(shè)計(jì)是為了適應(yīng)聲波引起的氣壓變化。彎曲會(huì)造成膜片相對(duì)背板移動(dòng)，產(chǎn)生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個(gè)配套IC將此電容變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬或數(shù)字格式的電訊號(hào)。

市場(chǎng)上有模擬或數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng)。模擬麥克風(fēng)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(jī)與入門級(jí)到中階的智能型手機(jī)。

數(shù)字化

整合模擬調(diào)節(jié)訊號(hào)和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)字麥克風(fēng)通常是PC或高階智能型手機(jī)的首選裝置。數(shù)字技術(shù)利用固有的更高射頻和抗電磁干擾（EMI）實(shí)現(xiàn)更佳的音訊性能，如圖一所示。此外，電路設(shè)計(jì)和電路板布局可以簡(jiǎn)化，更易于更動(dòng)設(shè)計(jì)，無(wú)需修改電阻和電容值。

圖一: 數(shù)字化改進(jìn)抗噪性

大多的數(shù)字麥克風(fēng)還有時(shí)脈和一個(gè)L / R控制的輸入。時(shí)脈輸入用來(lái)控制Δ?調(diào)變器，將感測(cè)器的模擬訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖密度調(diào)變（PDM）訊號(hào)。典型的時(shí)脈頻率范圍從1MHz至3.5 MHz。麥克風(fēng)的輸出被驅(qū)動(dòng)到所選擇的時(shí)脈邊緣的適當(dāng)水準(zhǔn)，接著進(jìn)入一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)的時(shí)脈周期的另一半。這使兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸出能共用單條數(shù)據(jù)線（圖二）。L / R輸入確定有效數(shù)據(jù)的時(shí)脈邊緣。

圖二: 數(shù)字麥克風(fēng)可減少傳輸線數(shù)量

數(shù)字MEMS麥克風(fēng)具有高抗噪性和簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，適用于多麥克風(fēng)陣列以消除回音和雜訊，以及波束形成以實(shí)現(xiàn)定向靈敏度。為讓智能型手機(jī)能消除雜訊，一種常見方法是在遠(yuǎn)離主語(yǔ)音麥克風(fēng)之處放置一個(gè)或多個(gè)額外麥克風(fēng)，例如在外殼邊緣或背面，檢測(cè)來(lái)自周圍環(huán)境的雜訊，再?gòu)恼Z(yǔ)音麥克風(fēng)的輸出中減去，能提高通話品質(zhì)。降噪麥克風(fēng)也經(jīng)常用于影音錄制模式。

波束形成還使用到兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)陣列。雖然大多數(shù)麥克風(fēng)有全向靈敏度，但一些應(yīng)用可得益于一個(gè)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(huì)議中或行車通話時(shí)提高音訊品質(zhì)和清晰度。根據(jù)從不同方向傳來(lái)的聲音相位差，波束形成可利用數(shù)字演算法到陣列的麥克風(fēng)輸出，而且還能判定特定聲音傳來(lái)的方向。

關(guān)于麥克風(fēng)的主要技術(shù)特性

1．靈敏度

靈敏度是表示麥克風(fēng)聲電轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)。它表示在自由聲場(chǎng)中，麥克風(fēng)頻率為1KHz恒定聲壓下與聲源正向（即聲入射角為零）時(shí)所測(cè)得的開路輸出電壓。單位為毫伏/帕。1Pa＝10bar1ubar大致相當(dāng)于人正常說(shuō)話音量，在1m遠(yuǎn)處測(cè)得的聲壓。

動(dòng)圈式麥克風(fēng)靈敏度約1.5～4毫伏/帕，而電容式麥克風(fēng)靈敏度比動(dòng)圈式高10倍左右，約20毫伏/帕。

麥克風(fēng)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(fēng)靈敏度高是件好事，它可以向調(diào)音臺(tái)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(chǎn)生過激失真。

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

2．頻率響應(yīng)

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

頻率響應(yīng)曲線圖中，橫軸為頻率，單位為赫茲（Hz），大部份情況取對(duì)數(shù)來(lái)表示；縱軸則為音強(qiáng)，單位為分貝（db）。0分貝代表麥克風(fēng)的輸出信號(hào)跟原始聲音一致，沒有被改變；大于0分貝代表輸出信號(hào)被放大；小于0分貝則代表輸出信號(hào)被衰減。

麥克風(fēng)使用場(chǎng)合不同，要求頻響范圍和不均勻度范圍也不同。

動(dòng)圈麥克風(fēng)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)低頻提升現(xiàn)象稱為"近講效應(yīng)"，所以在150Hz以下低頻段較好有明顯衰減。

電容式麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)曲線會(huì)比動(dòng)圈式的來(lái)得平坦，還原更為真實(shí)。常見的麥克風(fēng)頻率響應(yīng)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(fēng)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(lái)表示。用不同指向特性的麥克風(fēng)拾音時(shí)，對(duì)直達(dá)聲／混響聲的比例有很大影響。我們可以根據(jù)聲源選擇合適指向性的麥克風(fēng)。

常見指向性有全向型（無(wú)指向）、心形、超心型、銳心型、8字型（雙向）等幾種。

a.無(wú)指向：此特性對(duì)所有方向聲波入射有同等靈敏度。要拾取環(huán)境聲時(shí)，通常都會(huì)使用全指向性的麥克風(fēng)，這樣拾取到的聲音會(huì)有強(qiáng)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(duì)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(cè)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(fēng)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(fēng)）：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(fēng)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(fēng)的引線兩端看進(jìn)去的麥克風(fēng)本身的阻抗稱為輸出阻抗。 目前常見的麥克風(fēng)有高阻抗與低阻抗之分。高阻抗的數(shù)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(jīng)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(shí)也易受外界的電磁場(chǎng)干擾，所以，麥克風(fēng)引線不宜太長(zhǎng)，一般以10～20米為宜。低阻抗輸出無(wú)此缺陷，所以噪音水平較低，傳聲器引線可相應(yīng)的加長(zhǎng)，有的擴(kuò)音設(shè)備所帶的低阻抗傳聲器引線可達(dá)100米。如果距離更長(zhǎng)，就應(yīng)加前級(jí)放大器。

5．動(dòng)態(tài)范圍

是指麥克風(fēng)輸出較小有用信號(hào)和較大不失真信號(hào)之間電頻差。動(dòng)態(tài)范圍小，會(huì)引起聲音失真，音質(zhì)變壞，因此要求有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。

6.信噪比

指在規(guī)定輸入電壓下的輸出信號(hào)電壓與輸入電壓切斷時(shí)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(hào)強(qiáng)度與同時(shí)發(fā)出的噪音強(qiáng)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(hào)里的雜波越少，還原質(zhì)量就越高。

7.較大輸入聲壓級(jí)

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

無(wú)論什么型號(hào)的麥克風(fēng)，其聲一電變換非線性畸變都會(huì)隨聲音聲壓級(jí)的增加而加大，所以，每種麥克風(fēng)都有一個(gè)“較高適用聲壓級(jí)”的限度。當(dāng)麥克風(fēng)所處的聲壓級(jí)超過這個(gè)限度時(shí)，麥克風(fēng)輸出的電信號(hào)的非線性畸變會(huì)超過它能允許的程度，后面的電聲設(shè)備就無(wú)法加以校正了。所以，使用的麥克風(fēng)必須要滿足其在拾音點(diǎn)的聲壓級(jí)的要求。

專業(yè)麥克風(fēng)的較大輸入聲壓級(jí)一般定得較高，只要它和聲源間的距離得當(dāng)，就不會(huì)產(chǎn)生可聞的失真。

8.音色

麥克風(fēng)的技術(shù)參數(shù)，對(duì)我們按不同用途或要求，使用麥克風(fēng)起到很好的參考作用，但不是的，尤其是麥克風(fēng)的音色是不能用技術(shù)參數(shù)作標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)聲錄音器材是最主要的，甚至一個(gè)麥克風(fēng)支架、一塊窗簾、一顆小小的螺絲都會(huì)對(duì)音色有影響。