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簡 介： 通過對于實(shí)際駐極體MIC進(jìn)行拆解，看到其中的結(jié)構(gòu)，對比起工作原理，實(shí)在令人難以想象它的工作機(jī)制是可行的，盡管現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在周圍很多電子設(shè)備中。
關(guān)鍵詞： 駐極體，MIC

01 駐極體話筒

一、話筒基本種類

??話筒，也常被稱為麥克風(fēng)（Microphone）是將聲音轉(zhuǎn)換成電信號的電器元件。在 An Introduction to Audio Electronics: Sound, Microphones, Speakers, and Amplifiers^[1] 總結(jié)了三種話筒基本原理：

• 動圈式電磁感應(yīng)話筒；
• 電容話筒；
• 駐極體話筒；

??下圖給出了動圈式電磁感應(yīng)話筒結(jié)構(gòu)，它實(shí)際上相當(dāng)于普通動圈式喇叭的逆過程。感應(yīng)聲音壓強(qiáng)變化的薄膜帶動微型線圈在磁場中運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢反映了聲音信號變化情況。

??下圖顯示了電容話筒的結(jié)構(gòu)圖。具有導(dǎo)電特性的薄膜與鄰近的背板構(gòu)成了平板電容。其中的電池（偏置電壓）為該電容充有一定電荷。當(dāng)薄膜在聲壓作用下發(fā)生震動，改變了與背板之間的距離，進(jìn)而影響了電容容量，最終反映在電容兩極之間的電壓發(fā)生變化，這個變化的電壓包含有聲音信號。經(jīng)過后期高阻抗放大器便可以輸出聲音電信號。

??下圖是駐極體話筒結(jié)構(gòu)示意圖。相比于前面的電容話筒，它沒有用于電容偏置的內(nèi)部電池，取而代之的是帶有駐極體材料的背板。由于駐極體內(nèi)部包含有固定的電荷，從而可以將原來用于電容偏置的電源去掉。

??另外，為了使得輸出信號阻抗降低，駐極體麥克內(nèi)部還包含著結(jié)型場效應(yīng)管將駐極體電壓變化轉(zhuǎn)變成場效應(yīng)管電阻變化。

二、駐極體話筒實(shí)際結(jié)構(gòu)

??通過上面介紹可以看到駐極體話筒是電容話筒的一種。在 Cellphone acoustics^[2] 中介紹了 駐極體麥克風(fēng)是由Sessler 與 West 發(fā)明

??在網(wǎng)文 駐極體麥克風(fēng)和電容麥克風(fēng)的區(qū)別^[3] 中介紹了電容話筒與駐極體話筒的區(qū)別。電容話筒的基本原理就是使用一個電容器作為聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換器，這個電容的一個極板可以感應(yīng)電壓的變化，起到聲音輸入的作用，通常這一由金屬化的高分子膜構(gòu)成。如果這一高分的模式由駐極體材料組成，那么這就是駐極體麥克風(fēng)。

??下圖顯示了普通的駐極體話筒外觀與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

??在 ?PRODUCT SPOTLIGHT: ?ELECTRET CONDENSER MICROPHONES^[4] ?中介紹了駐極體麥克風(fēng)工作原理以及使用方法。駐極體薄膜在麥克風(fēng)中通過前面的音孔感知外接聲音壓強(qiáng)的變化進(jìn)而產(chǎn)生震動，改變了 與背板之間的距離。駐極體與背板相當(dāng)于電容兩個電極，電極之間的距離變化會改變電容的容量。如果兩個電極之間存在一定量的電荷，會在兩個電極之間產(chǎn)生電壓。電壓與電容容量之間成反比。

??因此，駐極體薄膜與背板電極之間的距離變化會在背板電極上產(chǎn)生變化的電壓，經(jīng)過結(jié)型場效應(yīng)管（FET）阻抗轉(zhuǎn)換形成輸出信號。

2、駐極體材料

??從歷史上看，駐極體是通過首先熔化合適的介電材料（例如包含極性分子的聚合物或蠟），然后使其在強(qiáng)大的靜電場中重新凝固而制成的。電介質(zhì)的極性分子將其自身對準(zhǔn)靜電場的方向，從而產(chǎn)生具有xxx性靜電偏壓的偶極駐極體。現(xiàn)代的駐極體通常是通過將多余的電荷嵌入到高度絕緣的電介質(zhì)中來制成的，例如通過電子束、電暈放電、從電子槍注入電，跨越間隙的電擊穿或電介質(zhì)阻擋層。

??駐極體材料絕緣性與穩(wěn)定性很好，內(nèi)部的電荷會保存很長時間（數(shù)百年）。因此通常在介紹駐極體麥克風(fēng)文章中都說，正是借助于駐極體內(nèi)部的電荷的存在，使得駐極體麥克風(fēng)在使用過程中不需要向普通的電容話筒那樣有極化電壓。

三、存在的疑問

1、駐極體薄膜不會被電荷中和嗎？

??根據(jù)前面介紹的駐極體話筒的原理，它如果需要將駐極體薄膜的震動轉(zhuǎn)換成背板上的電壓變化，基本要求是需要在兩個電容極板之間存在一定量的電荷。

??問題就在于駐極體薄膜上的電荷是存在于薄膜內(nèi)部。如果長時間暴露在外部的空氣，空氣中的電荷就會在薄膜電場的作用下匯聚在薄膜表面，將駐極體內(nèi)部極化電場中和掉，對于外部來看，它就形成沒有電荷的材料了。

2、實(shí)際麥克內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異

??下面是對一款實(shí)際的駐極體麥克風(fēng)拆開后的情況，其中的主要部件包括四個：

• 鋁金屬外殼；
• 鍍有金屬導(dǎo)電層的駐極體薄膜；
• 金屬環(huán)；
• JFET以及電路板；

??可以看到這個麥克風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與前面敘述的結(jié)構(gòu)有著很大的差異。

??除此之外，中間帶有金屬導(dǎo)電的駐極體薄膜非常薄，直觀上來講，很難想象這個帶有金屬層的薄膜是如何能夠與金屬外殼之間產(chǎn)生電壓的。

02 問題總結(jié)

??通過觀察實(shí)際的駐極體麥克風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，會感到其中存在著諸多的疑問。這樣的薄的駐極體薄膜真的能夠?qū)τ谄渲械膬?nèi)部電荷長久保持嗎？薄膜在長久暴露在空氣中，表面會積累期相應(yīng)的電荷與其內(nèi)部極化電場進(jìn)行中和，這樣的薄膜還會產(chǎn)生極化電壓嗎？

參考資料

[1]An Introduction to Audio Electronics: Sound, Microphones, Speakers, and Amplifiers: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-audio-electronics-sound-microphones-speakers-amplifiers/

[2]Cellphone acoustics: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/electret

[3]駐極體麥克風(fēng)和電容麥克風(fēng)的區(qū)別: http://www.elecfans.com/video/yinpinjishu/201909241078621.html

[4]PRODUCT SPOTLIGHT: ?ELECTRET CONDENSER MICROPHONES: https://www.cuidevices.com/product-spotlight/electret-condenser-microphones#5

end

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