前面的文章介绍了手机麦克风的原理和走线要点,链接如下:
但在应用时,会涉及到麦克风选型,而其中最为关键的就是各种参数,这些参数是麦克风由声音信号转换为电信号的直接指标。
由于模拟麦克风在手机上使用的较多,所以本文着重介绍模拟麦克风参数。
灵敏度
如果拿麦克风和人耳做类比,有的人耳聪,有的人是聋的传人,这其实就是灵敏度的概念。
给定声压级(94dB SPL,即1Pa)和频率(通常为1kHz),麦克风所输出的电压幅度称为灵敏度,通常用对数表示(相对于1V有效值信号的分贝数),单位为dB。
灵敏度是表征麦克风声电转换能力的一个重要指标,高灵敏度有助于拾取远处或微弱的声音,堪称窃听风云的主角。没人喜欢耳背的手机,但高灵敏度麦克风通常容易受到气流等外部噪声的影响,而且容易嗨过头,达到声学过载点(AOP)。
常见的模拟麦克风的灵敏度有-38dB、-42dB等,-38dB的意义是:对于1Pa声压级,麦克风约生成12.6mV的信号。

信噪比
信噪比,Signal to Noise Ratio,简称SNR,是个关注声音含金量的指标。
说到信噪比,就不得不谈麦克风的本底噪声,简称底噪,是指在安静的环境中,麦克风的输出中就带有的输出量。麦克风中的MEMS和ASIC电路都会在工作时产生噪声,其中MEMS引入的噪声是空气分子瞎溜达(随机布朗运动)产生的,而ASIC的噪声源则主要来自前置放大器。
同样用人类耳朵做类比,如果说灵敏度是耳聪耳背方面的问题,那么底噪有点像幻听。对于底噪较高的耳朵,明明没有声音,他却能无中生有、仿佛听到了另一个次元的声音。
于噪音里找信号,就像在夜店里找女朋友一样难堪,如果真实的声音本来就很小了,而麦克风底噪又这么大,则有用的声音信号被搅浑,麦克风不堪一用,我们描述为信噪比低。
在模拟麦克风中,信噪比定义为94dB SPL(1Pa)的1kHz的声音下,麦克风所输出信号电平与其本底噪声电平的比值称为信噪比,单位为dB,公式如下:
SNR = 20 * log10(Vs / Vn)
其中,其中Vs表示有用信号的有效值,Vn表示噪声有效值,该噪声通常为20~20KHz带宽内的A加权值。
目前手机麦克风的信噪比大约在56~70dB之间,高端型号可达72~75dB,如下图所示。

信噪比直接决定音频通路的清晰度和动态范围的下限,高SNR麦克风对于远场拾音、细微声音拾音、语音助手唤醒准确率、降噪算法效果至关重要。
频率响应
麦克风灵敏度随频率变化的曲线称为频率响应,表征了麦克风对不同频率声音的响应能力,如下图,为某底部开孔麦克风的频响曲线。


麦克风的频率响应曲线决定了它能捕捉到的声音频率范围和准确性,一般一碗水端平,越平坦、越宽越好。
比如宽频率响应的麦克风可以捕捉更多的声音细节,早期电话的麦克风的频率响应较窄(约300~3400Hz),所以声音又闷又扁,有一股子年代感,不如当前手机通话这么真实。
手机麦克风通常还内置高频滚降以抑制射频干扰,或者针对风噪(一说话就喷麦),在低频段(<100 Hz)做一些衰减。
THD
该指标看的是麦克风在翻译声音时,有没有添油加醋、加入了原本不属于声音本身的谐波,形成电音神曲。
THD,总谐波失真,表征麦克风在94 dB SPL 1KHz声音下,输出信号中产生的谐波失真的程度,即失真产生的总谐波的有效值与总输出的有效值之比,通常用百分比表示。
低THD的麦克风意味着录制的声音更接近原始声音,更为纯净,不会引入额外的频率失真。

声学过载点(AOP)
该参数表征麦克风能够承受最大声音的能力,也就是它的忍耐极限是多少。
如果一颗手榴弹在你身边爆炸,就算你侥幸不死,你的耳朵也会暂时聋掉,短时间内听不到任何声音,如此巨大的声音,对人耳来说是过载的。
对麦克风来说,在面对大声压的声音时同样有这种状况,虽不至于聋,但转换为电信号时会THD失真。如下图,当声压级小于声学过载点时,失真通常不会随着声压级升高而大幅增加;但是当达到过载点时,失真开始快速升高,声音变得鬼畜,不堪听。

通常将麦克风输出信号失真程度为10%的点定义为声学过载点,当前手机麦克风AOP一般在122~135dB SPL。

高AOP的麦克风在未来是趋势,可以应对演唱会、工地等极端大声音环境,防止爆音和失真。但老天是公平的,给了你高AOP,往往就会拿走一部分灵敏度,这属于是MEMS麦克风设计中的一个折衷。
电源抑制比
电源抑制比,Power Supply Rejection Ratio,简称PSRR,是衡量麦克风对抗电源污染(纹波和噪声)的能力,单位为dB。高PSRR的麦克风有利于抑制和化解手机内复杂的电源噪声。

手机内部因为模块众多就像一个大杂烩,电源线上充满了各种纹波和噪声。如果麦克风PSRR低,这些电源噪声就会“污染”到声音信号里,形成烦人的“滋滋”声。高PSRR的麦克风,就像给麦克风装了一道防火墙,能够对抗电源线上的干扰。

手机在GSM通信时会产生一种叫TDMA Noise的噪音,工程师有时也会专门用217Hz的干扰信号来模拟它,摸底麦克风的抑制能力。
指向性
就像恋爱中的男人,有的人像中央空调(全向麦),车子被最后被女人喷上渣男,有的人却扮演专一舔狗的角色(定向麦)。
指向性是指麦克风的拾音场,说明了麦克风对不同角度的声音的敏感状况。
- 全向:最常见,雨露均沾,对四面八方传来的声音都来者不拒,均匀响应各方向的声音,比如手机的主麦克风就是全向型的,如下图所示。
- 定向:只对特定方向的声音感兴趣,对其他方向的声音则自动屏蔽,就像给声音打了一束探照灯一样,通常通过特殊的机械声学设计实现。

下图是一些常见的指向。

有些麦克风的指向是可以切换的,这种功能有时非常有用,可以让麦克风适应各种不同的应用场景。
总结
看参数表是一项非常必要的技能,但技术参数并不是麦克风的全部,没什么能比亲自体验一下更重要了。
就像手机圈,新机发布时参数一个比一个顶,厂商个个都是营销鬼才,手段一个比一个高明。什么“跨时代”、“遥遥领先”、“地表最强”的词儿都往上招呼。这些参数不必迷信,亲自体验,方得始终,没必要凭媒婆的一张嘴就娶了丑媳妇或嫁了懒汉。
