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來源：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) 是一種功能強大的經(jīng)典聲音采集解決方案，性能可靠，適應(yīng)性強，應(yīng)用范圍廣。MEMS 麥克風(fēng) 設(shè)計易于集成，外形緊湊，備受用戶青睞，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，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 駐極體電容式麥克風(fēng)（ECM，也稱為電容式麥克風(fēng)）通過駐極體工作。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)保持完好無損，不會出現(xiàn)明顯的衰變。在英文里，“駐極體 (electret)”一詞來源于“靜電 (electrostatic)”和“磁體 (magnet)”的組合，反映了靜電荷嵌入材料的過程。這是通過排列駐極體中的靜電荷實現(xiàn)的，類似于通過磁疇排列產(chǎn)生磁鐵的方式。 這一固有特性在麥克風(fēng)設(shè)計時具有顯著優(yōu)勢。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)置靜電荷則沒有這項要求。這種簡化降低了電路設(shè)計的復(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。當聲波引起振膜振動時，振膜和背板之間的距離會發(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 由于振膜運動導(dǎo)致電容 (C) 發(fā)生變化，電容器上的電壓 (V) 會隨之發(fā)生反比例變化，產(chǎn)生與聲音振動相對應(yīng)的電信號。 然后，這一變化的電壓被饋送到麥克風(fēng)內(nèi)的場效應(yīng)晶體管 (FET) 進行放大，以便更好地傳輸。輸出級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。為在各種電子應(yīng)用中捕捉聲音時，這種簡單、有效的設(shè)計使 ECM 成為可靠的選擇。 
圖 1：ECM 的工作原理。（圖片來源：Same Sky） 電容式駐極體麥克風(fēng)的典型結(jié)構(gòu)包括以下幾個關(guān)鍵部件： 無紡布：防止灰塵，同時允許聲音通過 外殼：封裝和保護內(nèi)部零件 極性環(huán) (polar ring)：加強用于振膜的駐極體材料 振膜：對聲音做出響應(yīng)而振動，進而改變電容 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。（圖片來源：Same Sky）
圖 3：ECM 的裝配圖。（圖片來源：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，決定了如何捕捉來自不同方向的聲音。指向性是一個關(guān)鍵規(guī)格，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用和使用要求選擇。最常見的 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。（圖片來源：Same Sky） 全向性麥克風(fēng)可捕捉來自各個方向的聲音，非常適合錄制群聲或電話會議等應(yīng)用。常見的拾音模式如圖所示，0° 代表麥克風(fēng)前段，聲強從 0° 到 360° 呈放射狀分布。這種麥克風(fēng)用途廣泛，但有缺點，即無法區(qū)分所需的聲音和環(huán)境噪聲，往往會拾取和放大環(huán)境聲音。
圖 5：單向極性模式。（圖片來源：Same Sky） 單向麥克風(fēng)主要從一個方向捕捉聲音，從而減少不必要的背景噪聲，如說話聲、鍵盤咔嗒聲或紙張沙沙聲，因此成為人聲或語音應(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。(圖片來源：Same Sky） 降噪麥克風(fēng)或雙向麥克風(fēng)用來過濾環(huán)境噪聲，同時聚焦于所需的聲源，因此非常適合嘈雜的環(huán)境。這種麥克風(fēng)至少有兩個聲音端口：一個朝向所需的聲音，另一個朝向較遠的噪聲。近距離處的聲音會在振膜上產(chǎn)生更大的壓力梯度，從而更好地捕捉預(yù)期的音頻。近場效應(yīng)經(jīng)過調(diào)整，可確保靠近前端口的聲音具有平坦頻率響應(yīng)，而來自其他角度的聲音則會出現(xiàn)明顯的中音和低音滾降。常見應(yīng)用包括呼叫中心、直升機耳機和賽車手通信系統(tǒng)等。 ECM 的關(guān)鍵規(guī)格 除 ECM 的指向性外，在選擇組件時還需注意以下幾個參數(shù)： 靈敏度降低：麥克風(fēng)供電電壓降低時的增益損失。 靈敏度：衡量麥克風(fēng)的聲音檢測能力。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（如語音或音樂）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 PCB 引腳、帶或不帶連接器的導(dǎo)線引線以及端子來連接，是最常見的 ECM 安裝方式。端子安裝可進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方式。 結(jié)語 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，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)格有助于用戶根據(jù)自己的需要選擇合適的麥克風(fēng)。 |
