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來(lái)源：Digikey 作者：Nick Grillone, Applications Engineer, Same Sky 在音頻技術(shù)方面，駐極體電容式麥克風(fēng) (ECM) 是一種功能強(qiáng)大的經(jīng)典聲音采集解決方案，性能可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。MEMS 麥克風(fēng) 設(shè)計(jì)易于集成，外形緊湊，備受用戶(hù)青睞，而 ECM 則因豐富的安裝配置、廣泛的指向性模式和聲學(xué)多功能性而在電子設(shè)計(jì)中占有著重要地位。 本文將研究 ECM 工作原理，探討其內(nèi)部電路和指向響應(yīng)能力，從用于捕捉寬廣環(huán)境聲音的全向模式，到用于集中聲音隔離的單向配置。此外，還將探討靈敏度、信噪比 (SNR) 和頻率響應(yīng)等關(guān)鍵性能指標(biāo)，以期指導(dǎo)正確的元件選型。 駐極體電容式麥克風(fēng)的基礎(chǔ)知識(shí) 駐極體電容式麥克風(fēng)（ECM，也稱(chēng)為電容式麥克風(fēng)）通過(guò)駐極體工作。駐極體是一種永久帶電或極化的鐵電材料。駐極體的高電阻和化學(xué)穩(wěn)定性可確保嵌入的電荷在數(shù)百年內(nèi)保持完好無(wú)損，不會(huì)出現(xiàn)明顯的衰變。在英文里，“駐極體 (electret)”一詞來(lái)源于“靜電 (electrostatic)”和“磁體 (magnet)”的組合，反映了靜電荷嵌入材料的過(guò)程。這是通過(guò)排列駐極體中的靜電荷實(shí)現(xiàn)的，類(lèi)似于通過(guò)磁疇排列產(chǎn)生磁鐵的方式。 這一固有特性在麥克風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的電容式麥克風(fēng)需要外部極化電壓才能工作，而駐極體的內(nèi)置靜電荷則沒(méi)有這項(xiàng)要求。這種簡(jiǎn)化降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使 ECM 能夠在緊湊的低功耗應(yīng)用中高效工作，成為各種音頻系統(tǒng)的理想選擇。 駐極體電容器麥克風(fēng)的工作原理是將振膜作為電容器的一塊極板，背板作為另一快極板。當(dāng)聲波引起振膜振動(dòng)時(shí)，振膜和背板之間的距離會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容變化。這些變化由電容方程決定： C = Q / V 其中： Q = 電荷，以庫(kù)侖為單位（駐極體內(nèi)嵌電荷，因此電荷量保持不變） C = 電容，以法拉為單位 V = 電位差，以伏特為單位 由于振膜運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電容 (C) 發(fā)生變化，電容器上的電壓 (V) 會(huì)隨之發(fā)生反比例變化，產(chǎn)生與聲音振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。 然后，這一變化的電壓被饋送到麥克風(fēng)內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 進(jìn)行放大，以便更好地傳輸。輸出級(jí)上的直流阻斷電容器可消除任何不必要的直流偏移，從而確保輸出純凈的音頻信號(hào)。為在各種電子應(yīng)用中捕捉聲音時(shí)，這種簡(jiǎn)單、有效的設(shè)計(jì)使 ECM 成為可靠的選擇。 
圖 1：ECM 的工作原理。（圖片來(lái)源：Same Sky） 電容式駐極體麥克風(fēng)的典型結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部件： 無(wú)紡布：防止灰塵，同時(shí)允許聲音通過(guò) 外殼：封裝和保護(hù)內(nèi)部零件 極性環(huán) (polar ring)：加強(qiáng)用于振膜的駐極體材料 振膜：對(duì)聲音做出響應(yīng)而振動(dòng)，進(jìn)而改變電容 墊片：用于保持振膜與背板間的距離 背板：構(gòu)成電容器的固定電極 底座：提供結(jié)構(gòu)支撐 銅環(huán)：確保導(dǎo)電性和電氣連接 PCB：用于容納 FET 和其他信號(hào)放大電路 ECM 的拆解和組裝結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖 2：ECM 的零件分解圖。（圖片來(lái)源：Same Sky）
圖 3：ECM 的裝配圖。（圖片來(lái)源：Same Sky） ECM 的指向性或極性模式 駐極體電容式麥克風(fēng)有不同的指向性或極性模式，決定了如何捕捉來(lái)自不同方向的聲音。指向性是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用和使用要求選擇。最常見(jiàn)的 ECM 指向模式包括全向（圖 4）、單向（圖 5）和降噪（圖 6）。
圖 4：全向極性模式。（圖片來(lái)源：Same Sky） 全向性麥克風(fēng)可捕捉來(lái)自各個(gè)方向的聲音，非常適合錄制群聲或電話會(huì)議等應(yīng)用。常見(jiàn)的拾音模式如圖所示，0° 代表麥克風(fēng)前段，聲強(qiáng)從 0° 到 360° 呈放射狀分布。這種麥克風(fēng)用途廣泛，但有缺點(diǎn)，即無(wú)法區(qū)分所需的聲音和環(huán)境噪聲，往往會(huì)拾取和放大環(huán)境聲音。
圖 5：?jiǎn)蜗驑O性模式。（圖片來(lái)源：Same Sky） 單向麥克風(fēng)主要從一個(gè)方向捕捉聲音，從而減少不必要的背景噪聲，如說(shuō)話聲、鍵盤(pán)咔嗒聲或紙張沙沙聲，因此成為人聲或語(yǔ)音應(yīng)用的理想選擇。在這些應(yīng)用中，隔離所需聲源至關(guān)重要。最常見(jiàn)的單向模式如圖 5 所示，具有寬拾音區(qū)域，在離軸 180° 處具有最大抑制能力。
圖 6：降噪極性模式。(圖片來(lái)源：Same Sky） 降噪麥克風(fēng)或雙向麥克風(fēng)用來(lái)過(guò)濾環(huán)境噪聲，同時(shí)聚焦于所需的聲源，因此非常適合嘈雜的環(huán)境。這種麥克風(fēng)至少有兩個(gè)聲音端口：一個(gè)朝向所需的聲音，另一個(gè)朝向較遠(yuǎn)的噪聲。近距離處的聲音會(huì)在振膜上產(chǎn)生更大的壓力梯度，從而更好地捕捉預(yù)期的音頻。近場(chǎng)效應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整，可確保靠近前端口的聲音具有平坦頻率響應(yīng)，而來(lái)自其他角度的聲音則會(huì)出現(xiàn)明顯的中音和低音滾降。常見(jiàn)應(yīng)用包括呼叫中心、直升機(jī)耳機(jī)和賽車(chē)手通信系統(tǒng)等。 ECM 的關(guān)鍵規(guī)格 除 ECM 的指向性外，在選擇組件時(shí)還需注意以下幾個(gè)參數(shù)： 靈敏度降低：麥克風(fēng)供電電壓降低時(shí)的增益損失。 靈敏度：衡量麥克風(fēng)的聲音檢測(cè)能力。具有高靈敏度，麥克風(fēng)可以捕捉到較低的聲音或較遠(yuǎn)的聲音，放大程度較小并能降低噪音。這一特性有助于確定麥克風(fēng)是否適合音樂(lè)錄音等應(yīng)用或在嘈雜環(huán)境中使用。 信噪比 (SNR)：表示所需的聲音（如語(yǔ)音或音樂(lè)）與麥克風(fēng)捕捉到的背景噪聲之比，表示整體音頻的清晰度。 安裝方式：通過(guò) PCB 引腳、帶或不帶連接器的導(dǎo)線引線以及端子來(lái)連接，是最常見(jiàn)的 ECM 安裝方式。端子安裝可進(jìn)一步定義為用于回流焊接的表面貼裝或用于手工焊接的焊盤(pán)方式。 結(jié)語(yǔ) 駐極體電容式麥克風(fēng)具有精確的聲音捕捉和多樣化指向性，在現(xiàn)代音頻技術(shù)中仍然是不可或缺的選擇。這種麥克風(fēng)性能可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，成為各種各樣應(yīng)用中必不可少的聲音部件，了解其工作和主要規(guī)格有助于用戶(hù)根據(jù)自己的需要選擇合適的麥克風(fēng)。 |
