測(cè)量 MEMS 麥克風(fēng)性能

壓力的 SI 單位是帕斯卡 (Pa)，它是每單位面積力的線性度量 (1 Pa = 1 N/m 2 )。然而，在討論聲壓級(jí)時(shí)，由于人耳的動(dòng)態(tài)范圍很大，可以檢測(cè)到低至 20 微帕到超過 20 帕斯卡的聲音，因此對(duì)數(shù)刻度更方便。因此，麥克風(fēng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)通常以分貝 (dB) 表示。 0dB SPL 等于 20 μPa，1 Pa 等于 94dB SPL。以下參數(shù)通常是麥克風(fēng)性能最重要的指標(biāo)：

信噪比 (SNR)

在大多數(shù)應(yīng)用中，信噪比 (SNR) 是衡量麥克風(fēng)性能的最重要指標(biāo)。信噪比是麥克風(fēng)的靈敏度與其本底噪聲之間的差值，以 dB 表示。目前MEMS麥克風(fēng)的SNR范圍為約56dB至約66dB。

靈敏度

麥克風(fēng)的靈敏度是衡量其對(duì)給定聲壓級(jí)的響應(yīng)的指標(biāo)。靈敏度通常指定為 1 kHz 頻率和 94 dB SPL (1 Pa)。模擬麥克風(fēng)的靈敏度通常以相對(duì)于 1 伏 RMS (dBV) 的分貝數(shù)表示，而數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度通常以相對(duì)于麥克風(fēng)滿量程輸出的分貝數(shù) (dB FS) 表示

本底噪聲

麥克風(fēng)的本底噪聲是指在完全安靜的環(huán)境下其輸出的噪聲量。傳感器和接口 ASIC 都會(huì)對(duì)麥克風(fēng)的輸出產(chǎn)生噪聲。傳感器產(chǎn)生的噪聲是由空氣分子的隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而 ASIC 產(chǎn)生的噪聲是由前置放大器產(chǎn)生的，對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)來說，是由 Delta-Sigma 調(diào)制器產(chǎn)生的。本底噪聲是在整個(gè)音頻帶上測(cè)量的，并且使用 A 計(jì)權(quán)濾波器來更好地測(cè)量人耳感知的噪聲水平。

麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表中并不總是指定本底噪聲，但可以通過從麥克風(fēng)的靈敏度中減去麥克風(fēng)的 SNR 來計(jì)算本底噪聲，從而提供以 dBV 或 dB FS 為單位的結(jié)果。 通過從測(cè)量靈敏度的聲壓級(jí)(通常為 94 dB SPL)中減去 SNR，可以將本底噪聲表示為以 dB SPL 為單位的等效輸入噪聲。

失真度(總諧波失真)

失真是衡量麥克風(fēng)捕獲聲音的準(zhǔn)確程度的指標(biāo)。失真通常指定為約 94 dB – 100 dB SPL，以便在正常聲級(jí)下提供麥克風(fēng)音頻質(zhì)量的良好指示。

聲學(xué)過載點(diǎn) (AOP)

隨著聲壓級(jí)的增加，失真通常不會(huì)增加太多，直到聲壓級(jí)開始接近麥克風(fēng)的聲學(xué)過載點(diǎn)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，失真度開始迅速上升。麥克風(fēng)的聲學(xué)過載點(diǎn)通常定義為失真達(dá)到 10% 時(shí)的聲壓級(jí)。

頻率響應(yīng)

MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)是指其靈敏度在不同頻率下的變化。麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)通常設(shè)置為 1 kHz 時(shí)的 0 dB，以標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果。由于亥姆霍茲共振，大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)的靈敏度會(huì)在 100 Hz 以下下降，并在大約 4 kHz - 6 kHz 之間開始上升。這就是許多 MEMS 麥克風(fēng)僅指定其頻率響應(yīng)在 100 Hz 至 10 kHz 之間的原因。然而，高性能 MEMS 麥克風(fēng)在 20 Hz 至 20 kHz 的整個(gè)音頻頻段內(nèi)具有相對(duì)平坦的頻率響應(yīng)。

電源抑制 (PSR)

麥克風(fēng)的電源抑制是衡量其防止麥克風(fēng)電源輸入上的噪聲出現(xiàn)在其輸出上的能力的指標(biāo)。 PSR 通常指定為 217 Hz 方波，以模擬 GSM 蜂窩無線電和/或跨音頻帶的掃頻正弦波生成的 TDMA 噪聲。

未來趨勢(shì)

對(duì)更好音頻質(zhì)量的渴望正在將 MEMS 麥克風(fēng)推向更高的性能水平。許多產(chǎn)品也開始將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)的陣列，以減少噪聲和/或?qū)Ⅺ溈孙L(fēng)靈敏度集中在特定方向。

更高的信噪比

MEMS麥克風(fēng)性能不斷提高。信噪比已從幾年前的 55 – 58 dB 增加到如今的 63 – 66 dB，從而實(shí)現(xiàn)更清晰的音頻捕獲，并允許在相同的清晰度水平下在更遠(yuǎn)的距離使用麥克風(fēng)。自動(dòng)語音識(shí)別算法需要高信噪比水平才能獲得良好的單詞準(zhǔn)確率。

更高的聲壓級(jí)

許多麥克風(fēng)用戶還要求更高的聲學(xué)過載點(diǎn)，以防止在嘈雜的環(huán)境中失真。高于聲學(xué)過載點(diǎn)的聲壓級(jí)削波引起的失真可能會(huì)使在搖滾音樂會(huì)等喧鬧環(huán)境中錄制的錄音無法使用。

更小的封裝尺寸

隨著消費(fèi)者對(duì)更薄、更輕產(chǎn)品的需求不斷增加，MEMS 麥克風(fēng)封裝尺寸也在不斷縮小。早期 MEMS 麥克風(fēng)的封裝尺寸為 3.76mm x 4.72mm x 1.25mm，而如今 3mm x 4mm x 1mm 和 2.95mm x 3.76mm x 1mm 封裝很常見。較新的 MEMS 麥克風(fēng)采用 2.5mm x 3.35mm x 0.98mm 和 2.65mm x 3.5mm x 0.98mm 封裝。這種趨勢(shì)可能會(huì)持續(xù)下去，盡管由于麥克風(fēng)后腔尺寸的縮小，較小的麥克風(fēng)封裝使得維持或提高音頻質(zhì)量變得更加困難。

環(huán)境噪音降低

許多智能手機(jī)和平板電腦開始使用多個(gè)麥克風(fēng)來實(shí)現(xiàn)視頻錄制等功能。使用多個(gè)麥克風(fēng)的另一種常見方式是降低環(huán)境噪音。許多智能手機(jī)使用位于手機(jī)頂部或背面的麥克風(fēng)來檢測(cè)周圍環(huán)境中的噪音，并將其從語音麥克風(fēng)的輸出中減去，以幫助提高清晰度。主要用途是視頻錄制的麥克風(fēng)也經(jīng)常用于降低環(huán)境噪音。

波束成形

兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)的陣列也用于執(zhí)行波束形成，波束形成處理麥克風(fēng)陣列的輸出以增加特定方向的靈敏度，同時(shí)拒絕來自其他方向的聲音。 大多數(shù)麥克風(fēng)具有全向輸出，即所有方向上的靈敏度都相同，但在許多情況下，希望將靈敏度集中在特定方向上并降低其他方向上的靈敏度，以提高清晰度。波束成形利用來自不同方向的聲音的相位差來將麥克風(fēng)的靈敏度集中在特定方向。波束成形還可用于定位聲音的來源方向。波束成形在麥克風(fēng)不靠近講話者的應(yīng)用中特別有用，例如客廳、會(huì)議室、汽車等。在嘈雜的環(huán)境中使用免提電話或視頻會(huì)議時(shí)，它也非常有用。

更嚴(yán)格地控制靈敏度

用于執(zhí)行噪聲消除和波束成形等功能的性能算法通常假設(shè)所使用的麥克風(fēng)的靈敏度相同，因此陣列中麥克風(fēng)之間的靈敏度變化會(huì)損害算法的性能。

這就產(chǎn)生了對(duì)更嚴(yán)格的靈敏度匹配的需求。 MEMS 麥克風(fēng)的靈敏度通常具有 ±3 dB 容差，但可以通過將麥克風(fēng)篩選為更嚴(yán)格的容差(分級(jí))和/或調(diào)整麥克風(fēng) ASIC 以補(bǔ)償麥克風(fēng)參數(shù)的正常變化，將其收緊至 ±1 dB。

MEMS 麥克風(fēng)的使用正在迅速增加。平板電腦和智能手機(jī)等應(yīng)用的增長(zhǎng)是MEMS麥克風(fēng)增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者。 MEMS麥克風(fēng)的使用。產(chǎn)品中越來越多地使用兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)來實(shí)現(xiàn)視頻錄制、主動(dòng)噪聲消除和波束成形等功能，也推動(dòng)了 MEMS 麥克風(fēng)使用的增長(zhǎng)。