(李斯)年少时,为郡小吏,见吏舍厕中鼠食不絜,近人犬,数惊恐之。斯入仓,观仓中鼠,食积粟,居大庑之下,不见人犬之忧。於是李斯乃叹曰:“人之贤不肖譬如鼠矣,在所自处耳!” - 《史记·李斯列传》
年少的李斯看到两种不同处境的老鼠后,喟然长叹,认为个人有没有出息,是由所处的环境决定的,如同这些老鼠一样。故李斯毅然西行入秦而事秦王,他的功名事业、乃至最终的身死族灭,都与秦国密不可分。
前面几篇文章介绍了手机上所用麦克风的原理与参数,链接如下:
但是仅有牛逼的麦克风是不够的,还得有环境供他发挥才能,如秦国之于李斯一般,否则功名不显,结果判若云泥。故麦克风的结构设计对手机的录音质量、通话清晰度,乃至可靠性,都起着重要的作用。腔体虽小,却属于声学、力学、材料学和精密制造领域的交叉。于方寸之间,创造出一个既能清晰感知世界,又能抵御内部纷扰的声学环境。
密封性设计
密封性设计是麦克风结构设计中最基础也最为关键的一点,必须保证良好的密封性,否则根基不稳,徒劳而无功。如下图,通常使用选用硅胶密封垫,使机身外壳上的开孔与麦克风的声孔形成一个密封的腔体。


如果密封性不好,声音就会像时光一样从缝隙溜走,甚至发生声音短路(麦克风同时听到了来自正面声学孔的声音和背面缝隙传来的声音,这两个声音有时间差和相位差,会导致“内讧”而相互抵消,使录音听起来空洞、发闷,低频缺失。
拾音通道设计
拾音通道即声口,是声音要登上麦克风这个大舞台之前,必须要走的羊肠小道。即从机身外壳的小孔到麦克风声敏单元之间的空间,如下图所示。最简单的拾音孔是一个直通孔,但它的W(宽度)、D(深度)都需要经过仿真计算。

如下图,为某产品基于不同D和W的数值所做的仿真。

通过上图可以看出:产品结构开孔宽度W越大、拾音通道D越短,则频响越好。如果拾音口过窄或拾音通道过长,就会形成一个低通滤波器的效果,专门为难高频声音,导致高频声音(如齿音、环境音)被过度衰减。
但出于ID美观度和防水/防尘的考虑,也不能把拾音孔开的过大。
有的拾音孔会采用特殊的声学端口设计,例如做成内大外小的阶梯状或异形结构,以在有限的开孔尺寸下,优化声波的传导效率。
但在结构设计时需要避免亥姆霍兹谐振器的出现,如下图,这种结构可能会导致高频响应尖峰。其原理就像在走廊里放了个大空瓶子,风一吹就呜呜响。

麦克风前后腔设计
经过上述的拾音通道后,声音终于来到麦克风本体,声音首先进入的麦克风本体的空间称为前腔,声音从这里开始作用于MEMS振膜。前腔的体积和形状由麦克风厂家固定,决定了麦克风本身的本征频响特性。
业界的MEMS麦克风,根据开孔的位置不同,分为顶部(TOP)开孔麦克风和底部(BOTTOM)开孔麦克风,如下图所示。由于声音进入麦克风的位置不同,这导致前腔与后腔的定义和体积分配完全相反,从而影响声学性能。

Top结构的麦克风,前腔体积大,后腔(背腔)体积小,而Bottom结构的麦克风则恰好相反。因为前腔体积及形状对声音的高频部分影响较大,所以Bottom类型的麦克风带宽更宽,更适合超声波应用(20K~40KHz)。

防水防尘设计
为了达到IP67或IP68的防水防尘等级,这就要求其能让空气(声音)通过,却挡住液态水(承受水压)和灰尘。
业界通常使用防水透气膜来处理这个事情。这种膜有极微小的孔,可以让空气分子自由通过,但液态水却由于表面张力无法进入。该膜片通常被集成在密封套中或直接贴在声学孔上。

制作防水透声膜的主要材料是EPTFE微孔膜,如下图所示。在不同水深浸泡下,它有着相应的防护等级。

但任何防水膜都会对声音,特别是高频部分,产生一定的衰减,手机通常会通过算法来补偿这部分损失。
隔音减震设计
麦克风所安装位置应尽量远离震动部件(扬声器、马达),并与固体表面隔绝,避免振动传声。一般采用硅胶进行减震处理。
除此之外,MIC必须跟扬声器(SPK)在手机内部做好隔音,防止SPK的声音通过内部空间串到麦克风,导致回声或啸叫。扬声器和麦克风分别放置在不同腔体内,两者拉开距离,并且用性能好的密封材料进行封闭;除此之外,扬声器振膜不要朝向麦克风。