在当今科技飞速发展的时代，麦克风传感器作为一种将声音信号转换为电信号的关键装置，广泛应用于各种电子设备中，如智能手机、智能音箱、录音设备等。本文将由 DigiKey 为您全面介绍麦克风传感器的特性、应用场景，详细阐述三大类别的麦克风传感器，并分析各类别的特性及适用场景，同时提出设计选型的五大要点。此外，还将针对音频质量优化，给出噪声干扰抑制、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、设计提供系统性指导。
麦克风传感器的是压电器件，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。其基本特性如下：
- 信号处理：麦克风输出的通常是微弱的电压信号，需要通过内部或外部的放大电路增强信号强度，以便后续电子器件处理。此外，输出信号还可能需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：灵敏度指麦克风对声压变化的反应程度，通常以每帕斯卡（Pa）或分贝（dB）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，有些适合捕捉低频声音，有些则更擅长高频声音。
- 指向性：麦克风具有不同的指向性，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。部分高端麦克风还具备噪声抑制功能，可有效降低环境噪声对声音信号的干扰。
- 耐用性与接口：麦克风需具备良好的耐用性和抗干扰性，特别是在嘈杂环境中使用时。其输出接口可以是模拟或数字输出，常见连接方式包括 XLR 插头、USB 接口等。
图 1：麦克风传感器基本特性示意
麦克风传感器主要分为电容式麦克风、动圈麦克风与微机电麦克风三类：
- 电容麦克风：也称为静电麦克风，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（固定板或背板），另一个可移动（膜片）。声波作用于膜片时，膜片振动改变电容器电容值，进而使电荷变化，形成对应声音信号的电荷变化，再转换为电压信号输出。电容麦克风灵敏度高，能捕捉细微声音细节，频率响应范围广，信噪比较好。但它需要外部供电以维持电容器结构正常工作，在信号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、语音识别等对声音质量要求高的场合。驻极电容麦克风是其特殊类型，在固定板或背板上添加了性驻极电荷，因驻极体材料自身带有静电偏压，无需给电容增加偏压供电，不过一般仍需低电压（1.0V - 10V）供电以放大信号，其他特性与普通电容麦克风相似。
图 2：驻极体电容麦克风结构示意 - 动圈麦克风：使用动态磁场和固定在磁场中的导体圈（动圈），声波使动圈振动，导体圈在磁场中运动产生感应电流，电流与动态磁场相互作用产生与声波频率和振幅相对应的电信号输出。动圈麦克风耐用、成本较低、无需外部电源（自供电），适合现场表演、演讲和一般录音。但其高频响应相对较差，动态范围较窄。由于没有易损器件（如电容麦克风的薄膜），动圈麦克风不易超载和失真，自身噪声水平较低，有助于清晰捕捉声音。其灵敏度一般较低，可通过放大器增益提高，频率响应通常较窄，捕捉低频声音能力较强，是许多用户的麦克风类型之一。
图 3：动圈麦克风工作原理示意 - 微机电麦克风（MEMS）：利用微机电系统技术制造，具有高度集成、小型化、低功耗等特点。其部件是微型振动膜片，声波作用于膜片使其产生微小振动，导致电容器电容值变化，该变化与声波频率和振幅有关，再转换为电压信号输出。微机电麦克风相比传统麦克风更加小巧轻便，适合空间有限的设计，可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。它通常功耗较低，有助于延长电池寿命或节省能源。尽管尺寸小，但灵敏度高，能捕捉细微声音细节，频率响应范围广，可捕捉全频段声音，且具有较高的可靠性和寿命，适合长时间稳定运行，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。
图 4：微机电（MEMS）麦克风结构示意
选择麦克风传感器时，需考虑以下因素：
- 应用需求分析：确定具体应用场景，如录音室录音、现场演出、语音识别、通信系统等，同时考虑使用现场的环境条件，包括噪声水平、温度范围、湿度等，选择符合环境要求的麦克风传感器。
- 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；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。
- 指向性：对于需捕捉所有方向声音的应用，选择全指向性麦克风传感器；对于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。
- 噪声抑制功能：对于需减少环境噪声对声音信号干扰的应用，选择具有噪声抑制功能的麦克风传感器。
- 耐用性：考虑麦克风传感器在高强度使用或恶劣环境下的耐用性，选择有良好质量保证和信誉的品牌或制造商的产品，确保性能稳定可靠。
- 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，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。
- 成本与性能平衡：考虑麦克风传感器的成本，在性能和成本之间取得平衡，确保符合预算，并评估其性能和功能是否能实现预期的效益和价值。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。
在应用麦克风传感器时，常见问题及解决方案如下：
- 噪声干扰：使用具有噪声抑制功能的麦克风传感器，如降噪麦克风，或设计有效的滤波器和信号处理器减少噪声影响。在嘈杂环境下使用时，采取环境隔离措施，如将麦克风远离噪声源或使用隔音罩。
- 指向性不足：根据应用需求选择具有较好指向性的麦克风传感器，如心形指向性麦克风；使用扩音器、反射板等指向性附件增强麦克风的指向性。
- 灵敏度不足：使用灵敏度较高的麦克风传感器；增加放大器的增益提高灵敏度；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。
- 接收距离限制：选择级麦克风，其通常具有更远的接收距离；增加麦克风传感器的数量扩展接收范围；使用更强大的接收器和信号处理器增强信号传输和处理能力。
- 信号失真：选择高质量的麦克风和接收器；定期进行设备检测和校准，确保设备性能稳定；适当调整设备的设置和参数；注意麦克风的维护和清洁，防止灰尘和杂物影响信号质量。
