麦克风和扬声器选型介绍

在AI语音交互产品设计中&＃xff0c;我们无法绕开的两种元件就是麦克风&＃xff08;MIC&＃xff09;和扬声器&＃xff08;SPK&＃xff09;&＃xff0c;今天我们就探讨一下驻极体麦克风和动圈式扬声器。

一、麦克风

麦克风&＃xff0c;学名传声器&＃xff0c;也称话筒、咪头、微音器。是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。有动圈式、电容式、驻极体和硅微传声器。而大多数设备采用是驻极体电容器麦克风。驻极体电容话筒频响范围较窄&＃xff0c;但灵敏度高&＃xff0c;体积小&＃xff0c;结构简单&＃xff0c;成本低、适用与语言拾音。

1.驻极体话筒的工作原理

• 关键元件&＃xff1a;驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片&＃xff0c;一面蒸发上一层纯金薄膜&＃xff0c;然后再经过高压电场驻极后&＃xff0c;两面分别驻有异性电荷。

驻极体麦克风的基本结构如上图所示&＃xff0c;由电极、空气隙、驻极体、金属层组成。形成了一个以空气隙和驻电极作为绝缘介质&＃xff0c;以金属层和电极作为两个电极的电容器。当声波引起驻极体薄膜振动时&＃xff0c;两极板的间距就会发生变化&＃xff0c;电容的容量发生变化&＃xff0c;又因为驻极体上的电荷数量始终不变&＃xff0c;由Q&＃61;CU&＃xff0c;得C发生变化&＃xff0c;电极之间电压U就会发生变化&＃xff0c;再通过阻抗变换器将电信号放大&＃xff0c;来采集声音信号。

2.选型时要看的参数

• 灵敏度: 单位声压强下所能产生电压大小的能力。灵敏度表示麦克风的声—电转换效率。在自由声场中&＃xff0c;当向麦克风施加一个声压为1帕&＃xff08;Pa) 或 1微巴&＃xff08;unbar) 的声信号时麦克风的开路输出&＃xff08;以毫伏为单位&＃xff09;&＃xff0c;即为该麦克风的灵敏度。1微巴&＃xff08;ubar)约相当于人们正常音量讲话&＃xff0c;并在离嘴1米远的地方测量所得到的声压。 ECM灵敏度参数一般用灵敏度级表示&＃xff0c;单位为分贝&＃xff08;dB).公式为&＃xff1a;灵敏度级&＃61;20log(灵敏度/参考灵敏度)&＃xff0c;参考灵敏度&＃61;0db&＃61;1V/Pa。

  

• 最大声压级:麦克风在总谐波失真小于10%时所能承受的最大声压级&＃xff0c;又叫声过载点。常见的数字麦克风最大声压级为120dB SPL&＃xff0c;低灵敏度的可以达到130dB SPL。由此采集的声音信号过大&＃xff0c;会导致振膜发生不可逆形变&＃xff0c;导致麦克风的损坏。

• 信噪比:数字麦克风在输入激励为94 dB SPL下的输出信号幅值与输入激励切断时的输出信号幅值&＃xff08;本底噪声&＃xff09;之比。
  例如&＃xff0c;某数字麦克风本底噪声级为30dB SPL&＃xff0c;那么其信噪比为 94dB-30dB&＃61;64dB。
  

• 最大输入电压

• 指向性:指向性特性又称方向性&＃xff0c;是表征传声器对不同入射方向的声信号检测的灵敏度。

驻极体麦克风指向性分类有&＃xff1a;全向性、单指向、双指向。

指向性图案&＃xff1a;

• 麦克风选型要点:

1&＃xff09;灵敏度&＃xff1a;咪头的灵敏度选择需要考虑模拟增益和数字增益&＃xff0c;模拟增益越大的话&＃xff0c;噪声会大&＃xff0c;用在涂鸦的VWXR2-ES在线语音模组&＃xff0c;我们选用灵敏度-40dB~-30dB的咪头。

2&＃xff09;信噪比&＃xff1a;信噪比选择相对较大的。

3&＃xff09;最大输入电压&＃xff1a;要大于模组对咪头的供电电压2.8V。

二、扬声器

扬声器&＃xff0c;又称喇叭&＃xff0c;是一种把电信号转换成声音信号的器件&＃xff0c;位于电声系统的末端&＃xff0c;扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件&＃xff0c;而对于音响效果而言&＃xff0c;它又是一个最重要的部件。

1.扬声器的种类

• 按驱动方式&＃xff1a;电动式&＃xff08;动圈式&＃xff09;、电磁式(舌簧式)、静电式&＃xff08;电容式&＃xff09;、压电式&＃xff08;晶体式&＃xff09;&＃xff0c;离子喇叭&＃xff0c;&＃xff1b;

• 按重放频带&＃xff1a;低音、中音、高音、全频扬声器等&＃xff1b;

• 按振膜形态&＃xff1a;锥形、球顶型&＃xff1b;

• 动圈式扬声器

  应用电动原理的电声换能器件&＃xff0c;应用最多、最广泛。

  工作方式&＃xff1a;通过交变电流信号的通电导体线圈在磁场中运动&＃xff0c;线圈和音圈固定在一起&＃xff0c;使与音圈振动&＃xff0c;并与音圈相连的振膜振动&＃xff0c;从而牵扯连纸盆振动&＃xff0c;再通过空气介质&＃xff0c;将声波传送出去。

  优点&＃xff1a;
  1&＃xff09;结构简单、生产容易&＃xff0c;性价比高。
  2&＃xff09;性能优良&＃xff0c;在中频段可以获得均匀的频率响应。
  3&＃xff09;设计原理不变&＃xff0c;主要是工艺、材料不断改进&＃xff0c;性能大幅提升。

  

• 扬声器的参数

1&＃xff09; 额定阻抗&＃xff1a;扬声器的阻抗一般和频率有关。额定阻抗是指在确定信号源的有效电功率时&＃xff0c;&＃xff0c;从扬声器输入端测得的阻抗。它一般是音圈直流电阻的1.2~1.5倍。一般动圈式扬声器常见的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。阻抗越低越容易推。

2&＃xff09;额定功率&＃xff1a;扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。标称功率称额定功率、不失真功率。它是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率&＃xff0c;在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。为保证扬声器工作的可靠性&＃xff0c;要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。

3&＃xff09;频率响应&＃xff1a;给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时&＃xff0c;其产生的声压将会产生变化。一般中音频时产生的声压较大&＃xff0c;而低音频和高音频时产生的声压较小。当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围&＃xff0c;叫该扬声器的频率响应特性。

理想的扬声器频率特性应为20~20000Hz&＃xff0c;这样就能把全部音频均匀地重放出来&＃xff0c;然而这是做不到的。每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。

4&＃xff09;谐振频率&＃xff1a;扬声器从低音域开始振动时&＃xff0c;振动板最强烈振动所在点对应的频率&＃xff08;测量扬声器单元阻抗特性时&＃xff0c;阻抗曲线上阻抗值第一次达到最大值时&＃xff08;即Xmax&＃xff09;所对应的频率称为该扬声器单元的谐振频率或共振频率&＃xff0c;简称F0&＃xff1b;

反应了低音的性能。是其性能的一个重要参数。该值越低&＃xff0c;扬声器重放低音的质感和力度也越好&＃xff1b;

5&＃xff09;THD&＃xff1a;音频信号的振幅非线性引起的一种失真&＃xff1b;当扬声器输入某一频率的正弦信号时&＃xff0c;扬声器输出的声信号中&＃xff0c;除了原输入信号的基波成分外&＃xff0c;还出现了2 倍&＃xff0c;3 倍….于基波频率的信号。谐波失真主要是由于扬声器的振动系统或磁路系统的非线性产生&＃xff0c;这个值越小越好&＃xff1b;失真度是重要指标&＃xff0c;一般情况下&＃xff0c;100Hz~1KHz失真要小于10%&＃xff0c;1KHz以上要小于3%&＃xff1b;

6&＃xff09;SPL(声压级)&＃xff1a;是指喇叭在通以额定阻抗1W的电功率的电压时。在参考轴上与喇叭相距1m的点上。单位&＃xff1a;分贝(dB)产生的声压。

• 扬声器的选型要点

1&＃xff09;用在与涂鸦的VWXR2-ES在线语音模组配合的电路
2&＃xff09;额定阻抗&＃xff1a;选择4Ω/8Ω
3&＃xff09;额定功率&＃xff1a;2~3W
4&＃xff09;频率响应&＃xff1a;频率曲线分布较平

总结

这篇文档我们主要讲了驻极体麦克风与电动式扬声器&＃xff0c;我们选型时绕不开的一些参数&＃xff0c;以及用在与涂鸦的VWXR2-ES在线语音模组配合的电路上的一些选型要点&＃xff0c;希望能帮助到大家。