MEMS麦克风的基本原理，第二部分

测量 MEMS 麦克风性能

压力的 SI 单位是帕斯卡 (Pa)，它是每单位面积力的线性度量 (1 Pa = 1 N/m 2 )。然而，在讨论声压级时，由于人耳的动态范围很大，可以检测到低至 20 微帕到超过 20 帕斯卡的声音，因此对数刻度更方便。因此，麦克风性能的关键指标通常以分贝 (dB) 表示。 0dB SPL 等于 20 µPa，1 Pa 等于 94dB SPL。以下参数通常是麦克风性能最重要的指标：

信噪比 (SNR)

在大多数应用中，信噪比 (SNR) 是衡量麦克风性能的最重要指标。信噪比是麦克风的灵敏度与其本底噪声之间的差值，以 dB 表示。目前MEMS麦克风的SNR范围为约56dB至约66dB。

灵敏度

麦克风的灵敏度是衡量其对给定声压级的响应的指标。灵敏度通常指定为 1 kHz 频率和 94 dB SPL (1 Pa)。模拟麦克风的灵敏度通常以相对于 1 伏 RMS (dBV) 的分贝数表示，而数字麦克风的灵敏度通常以相对于麦克风满量程输出的分贝数 (dB FS) 表示

本底噪声

麦克风的本底噪声是指在完全安静的环境下其输出的噪声量。传感器和接口 ASIC 都会对麦克风的输出产生噪声。传感器产生的噪声是由空气分子的随机布朗运动产生的，而 ASIC 产生的噪声是由前置放大器产生的，对于数字麦克风来说，是由 Delta-Sigma 调制器产生的。本底噪声是在整个音频带上测量的，并且使用 A 计权滤波器来更好地测量人耳感知的噪声水平。

麦克风数据表中并不总是指定本底噪声，但可以通过从麦克风的灵敏度中减去麦克风的 SNR 来计算本底噪声，从而提供以 dBV 或 dB FS 为单位的结果。 通过从测量灵敏度的声压级(通常为 94 dB SPL)中减去 SNR，可以将本底噪声表示为以 dB SPL 为单位的等效输入噪声。

失真度(总谐波失真)

失真是衡量麦克风捕获声音的准确程度的指标。失真通常指定为约 94 dB – 100 dB SPL，以便在正常声级下提供麦克风音频质量的良好指示。

声学过载点 (AOP)

随着声压级的增加，失真通常不会增加太多，直到声压级开始接近麦克风的声学过载点。当这种情况发生时，失真度开始迅速上升。麦克风的声学过载点通常定义为失真达到 10% 时的声压级。

频率响应

MEMS麦克风的频率响应是指其灵敏度在不同频率下的变化。麦克风的频率响应通常设置为 1 kHz 时的 0 dB，以标准化结果。由于亥姆霍兹共振，大多数 MEMS 麦克风的灵敏度会在 100 Hz 以下下降，并在大约 4 kHz - 6 kHz 之间开始上升。这就是许多 MEMS 麦克风仅指定其频率响应在 100 Hz 至 10 kHz 之间的原因。然而，高性能 MEMS 麦克风在 20 Hz 至 20 kHz 的整个音频频段内具有相对平坦的频率响应。

电源抑制 (PSR)

麦克风的电源抑制是衡量其防止麦克风电源输入上的噪声出现在其输出上的能力的指标。 PSR 通常指定为 217 Hz 方波，以模拟 GSM 蜂窝无线电和/或跨音频带的扫频正弦波生成的 TDMA 噪声。

未来趋势

对更好音频质量的渴望正在将 MEMS 麦克风推向更高的性能水平。许多产品也开始将数字信号处理技术应用于两个或多个麦克风的阵列，以减少噪声和/或将麦克风灵敏度集中在特定方向。

更高的信噪比

MEMS麦克风性能不断提高。信噪比已从几年前的 55 – 58 dB 增加到如今的 63 – 66 dB，从而实现更清晰的音频捕获，并允许在相同的清晰度水平下在更远的距离使用麦克风。自动语音识别算法需要高信噪比水平才能获得良好的单词准确率。

更高的声压级

许多麦克风用户还要求更高的声学过载点，以防止在嘈杂的环境中失真。高于声学过载点的声压级削波引起的失真可能会使在摇滚音乐会等喧闹环境中录制的录音无法使用。

更小的封装尺寸

随着消费者对更薄、更轻产品的需求不断增加，MEMS 麦克风封装尺寸也在不断缩小。早期 MEMS 麦克风的封装尺寸为 3.76mm x 4.72mm x 1.25mm，而如今 3mm x 4mm x 1mm 和 2.95mm x 3.76mm x 1mm 封装很常见。较新的 MEMS 麦克风采用 2.5mm x 3.35mm x 0.98mm 和 2.65mm x 3.5mm x 0.98mm 封装。这种趋势可能会持续下去，尽管由于麦克风后腔尺寸的缩小，较小的麦克风封装使得维持或提高音频质量变得更加困难。

环境噪音降低

许多智能手机和平板电脑开始使用多个麦克风来实现视频录制等功能。使用多个麦克风的另一种常见方式是降低环境噪音。许多智能手机使用位于手机顶部或背面的麦克风来检测周围环境中的噪音，并将其从语音麦克风的输出中减去，以帮助提高清晰度。主要用途是视频录制的麦克风也经常用于降低环境噪音。

波束成形

两个或多个麦克风的阵列也用于执行波束形成，波束形成处理麦克风阵列的输出以增加特定方向的灵敏度，同时拒绝来自其他方向的声音。 大多数麦克风具有全向输出，即所有方向上的灵敏度都相同，但在许多情况下，希望将灵敏度集中在特定方向上并降低其他方向上的灵敏度，以提高清晰度。波束成形利用来自不同方向的声音的相位差来将麦克风的灵敏度集中在特定方向。波束成形还可用于定位声音的来源方向。波束成形在麦克风不靠近讲话者的应用中特别有用，例如客厅、会议室、汽车等。在嘈杂的环境中使用免提电话或视频会议时，它也非常有用。

更严格地控制灵敏度

用于执行噪声消除和波束成形等功能的性能算法通常假设所使用的麦克风的灵敏度相同，因此阵列中麦克风之间的灵敏度变化会损害算法的性能。

这就产生了对更严格的灵敏度匹配的需求。 MEMS 麦克风的灵敏度通常具有 ±3 dB 容差，但可以通过将麦克风筛选为更严格的容差(分级)和/或调整麦克风 ASIC 以补偿麦克风参数的正常变化，将其收紧至 ±1 dB。

MEMS 麦克风的使用正在迅速增加。平板电脑和智能手机等应用的增长是MEMS麦克风增长的主要贡献者。 MEMS麦克风的使用。产品中越来越多地使用两个或多个麦克风来实现视频录制、主动噪声消除和波束成形等功能，也推动了 MEMS 麦克风使用的增长。