MEMS

本文首发于微信公众号「声学号角」 摘要 💡 本文深入探讨了微机电系统（MEMS）扬声器这一革命性技术。我们将从其核心工作原理（压电式与静电式）出发，详细剖析其在微型化声学设计中面临的关键挑战，如低频响应不足和非线性失真。结合行业领先的解决方案与COMSOL多物理场仿真技术，本文旨在为声学工程师提供一个全面的技术视野，并展望其在空间音频、主动降噪等前沿领域的未来应用趋势。 大纲 1. 引言：为什么MEMS扬声器是音频领域的下一个“奇点”？ 2. 核心原理与公式推导：揭开硅基发声的神秘面纱 • 2.1 压电式 (Piezoelectric) MEMS扬声器 • 2.2 静电式 (Electrostatic) MEMS扬声器 • 2.3 核心性能参数对比 3. 技术应用与实例分析：当前的设计挑战与解决方案 • 3.1 挑战一：低频响应的“先天不足” • 3.2 挑战二：非线性失真的“魔咒” • 3.3 挑战三：高驱动电压与功耗 4. 仿真与建模：用COMSOL洞察微观世界的声学行为 5. 挑战与未来趋势：MEMS扬声器的星辰大海 • 5.1 与主动降噪 (ANC) 技术的深度融合 • 5.2 赋能空间音频 (Spatial Audio) • 5.3 阵列化与声场控制 6. 结论 1. 引言：为什么MEMS扬声器是音频领域的下一个“奇点”？ 🚀 自从动圈扬声器技术在一个多世纪前被发明以来，其“磁铁-线圈-振膜”的基本结构几乎没有发生颠覆性的改变。然而，随着TWS耳机、AR/VR眼镜、助听器等可穿戴设备的兴起，传统扬声器在尺寸、功耗和一致性方面逐渐暴露出瓶颈。 MEMS（微机电系统）扬声器，利用半导体制造工艺将机械结构和电子系统集成在硅晶片上，为解决这些痛点提供了全新的思路。它以其超薄的尺寸、极低的功耗、卓越的制造一致性和抗冲击性，正预示着一场微型声学领域的深刻变革。xMEMS, USound等公司的积极布局，也证明了这项技术巨大的商业潜力。 2. 核心原理与公式推导：揭开硅基发声的神秘面纱 MEMS扬声器的驱动方式主要分为压电式和静电式两种。 2.1 压电式 (Piezoelectric) MEMS扬声器 🔧 压电式MEMS扬声器利用了压电材料的逆压电效应。当对压电薄膜（如PZT，锆钛酸铅）施加电场时，材料会产生机械形变。 其核心结构通常是悬臂梁或多悬臂梁结构。施加的交流电压 V(t) 导致压电层伸缩，带动整个悬臂梁结构弯曲振动，从而推动空气发声。 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 电容式MEMS麦克风有限元仿真建模【如何成为电声高手】21. 麦克风【如何成为电声高手】22. 指向性麦克风【如何成为电声高手】23. 麦克风阵列 电容式MEMS麦克风结构 1.外壳 2.声通道 3.膜片 4.背板 5.前腔 6.背腔 电容式MEMS麦克风结构-声通道 •声通道的主要属性：通道直径或面积、长度、数量 •声通道的设计和前腔大小，与赫姆霍兹共振有关，决定了高频谐振峰的频率 •声通道的长度应该尽量短，以提高高频谐振峰的频率 •声通道的面积也会显著影响麦克风的自噪声，应尽量大，但会有设计和尺寸上的限制 电容式MEMS麦克风结构-前腔 •声通道的设计和前腔大小，与赫姆霍兹共振有关，决定了高频峰的频率 •前腔的容积应该尽量小，以提高高频谐振峰的频率 电容式MEMS麦克风结构-膜片 •膜片的主要属性：直径(面积)、刚度(顺性)、厚度、质量、压力通风口和悬挂方式 •膜尺寸决定了受声波影响的面积 •膜刚度/顺性决定了声音驱动膜片运动的难易程度 •膜越轻，其机械共振频率越高。较轻的膜高频响应更好，瞬态也会更好 电容式MEMS麦克风结构-透气孔 •透气孔的目的是为了平衡内外气压 •透气孔可以开在膜上，也可以开在膜片支撑位置 •透气孔的尺寸、形状、数量会影响声学效果，尤其是低频滚降，泄露越大，低频衰减越多 电容式MEMS麦克风结构-膜和背板间隙 •膜和背板间隙会影响麦克风的噪声性能和灵敏度 •间隙的高度也限制了膜的最大位移 •膜到背板的确切距离取决于麦克风的偏置状态。当麦克风通入直流偏置电压时，膜和背板之间存在静电力，导致膜向下移动。 •膜的刚度和空气间隙大小决定了直流偏置电压的最大值 •尽量大的直流偏置电压有利于麦克风的性能，但可靠性风险也会提高 电容式MEMS麦克风结构-背板 •背板的穿孔是为了让空气穿过背板，从而获得更大的背腔，增加膜的位移 •单个孔的面积、孔距、孔数量、板厚都会影响麦克风的性能 •孔的形状也会影响麦克风的自噪声，由于空气间隙和孔的声阻影响 电容式MEMS麦克风结构-背腔 •背腔相当于一个空气弹簧，会抵抗膜的运动，并影响麦克风的机械谐振频率 •所以背腔尽量大有利于提高麦克风的性能 •非封闭背腔会影响麦克风的频响、指向性、信噪比SNR 电容式MEMS麦克风的声阻 •小的间隙和通道起到声阻的作用 •当膜移动时，它会在膜和背板之间的间隙内以及背板上的孔中引起空气来回移动。这种通过声阻的声流相当于电流流过电阻。 •阻的结果是噪音。在MEMS麦克风中，声阻通常是显著的噪声源，它会增加整个组件的自噪声水平。 •窄或长的间隙会导致很大的阻力。为了最大限度地降低电容式麦克风的声阻，应最大化空气流动的所有间隙和孔的横截面积。 •麦克风的目标是最大限度地提高灵敏度，同时最大限度地降低自噪声。换句话说，麦克风捕获的信号和组件的自噪声之间的差距应该尽可能大。 •在许多情况下，降低噪声的变化会同时降低灵敏度；因此，信噪比SNR可能不会增加。 =====检验题==== 题目 1：在设计电容式MEMS麦克风的声通道时，为了提高高频谐振峰的频率并减小自噪声，以下哪种设计是最优的？ A. 增加声通道的长度，减小声通道的面积 B. 减小声通道的长度，减小声通道的面积 C. 减小声通道的长度，增加声通道的面积 D. 增加声通道的长度，增加声通道的面积 题目 2：为了提高电容式MEMS麦克风的高频响应，以下哪种膜片设计是最合适的？ A. 增加膜片的刚度，增加膜片的厚度 B. 减小膜片的刚度，减小膜片的厚度 C. 增加膜片的刚度，减小膜片的厚度 D. 减小膜片的刚度，增加膜片的厚度

本文首发于微信公众号「声学号角」 电容式MEMS麦克风有限元仿真建模【如何成为电声高手】21. 麦克风【如何成为电声高手】22. 指向性麦克风【如何成为电声高手】23. 麦克风阵列麦克风基础麦克风基本功能 Ø麦克风是一种将声音信号转换为电信号的设备，学名传声器 Ø日常最常见的就是手机上通话、录音用的麦克风 其基本功能： Ø声音拾取: 麦克风的主要功能是接收声波（空气中的振动）。 Ø能量转换: 它将这些声波的机械能转换成电信号的能量。 Ø信号输出: 这些电信号可以被放大、录制、传输或用于其他电子设备。 麦克风类型 最常见的麦克风类型是电容式麦克风（静电麦克风）、动圈式麦克风、压电式麦克风和带式麦克风等 •声音引起膜片振动，从而引起电容值变化，转换成变化的电信号 •大多数市面上的MEMS 麦克风是电容式麦克风 •驻极体电容式麦克风 (ECM)也属于电容式麦克风， 在其中一个板上包含驻极体材料 •驻极体带上准永久电荷，无需为麦克风提供偏置（直流）电压即可工作 •声音引起附在振膜上的线圈在磁场内移动，从而引起通过线圈的电流变化，和动圈扬声器刚好相反 •坚固耐用且价格相对较低 •通常动圈式麦克风的灵敏度低于电容式麦克风 •动圈式麦克风的自噪声水平通常较高 •普通动圈式麦克风相对较重的振动膜+线圈系统往往会影响麦克风的灵敏度和高频响应 •声音引起压电材料变形，通过压电效应会输出电信号 •声音可能会直接影响压电材料，或者通过膜和机械系统，以将运动传达给压电材料 •常用悬臂梁结构 •还有利用激光/超声波测试振膜振动的麦克风 =====检验题==== 题目1：关于电容式麦克风的描述，哪一项是正确的？ a) 它们需要外部偏置电压才能工作。 b) 它们利用线圈在磁场中的移动来产生电信号。 c) 它们通过改变电容值来转换声音信号。 d) 它们通常比动圈式麦克风更坚固耐用。 题目2：与动圈式麦克风相比，电容式麦克风通常具有： a) 更高的自噪声水平 b) 更低的灵敏度 c) 更好的高频响应 d) 更重的振动膜

本文首发于微信公众号「声学号角」 01—电容式MEMS麦克风介绍 关于麦克风（学名传声器，英文Microphone），之前的文章有做过简要的分类和介绍。各类型传声器（麦克风）的原理和分类 麦克风是把声压信号转换为电信号的声电换能器。 使用MEMS（微机械加工）工艺做的微型麦克风，就是MEMS麦克风，用得最多的是电容式，或者叫静电式，利用静电力（机电力）转换振动和电信号。一般使用硅作为基底，也称为硅基麦克风。相比于传统的驻极体麦克风，产品一致性好、功耗低、耐冲击。电容式MEMS麦克风尺寸非常小，mm量级，在手机、平板、耳机、助听器等产品中均有广泛应用。 近些年也有些公司在开发压电式MEMS麦克风，利用压电效应转换振动和电信号。 麦克风的灵敏度表示麦克风的声电转换效率。定义为声压1Pa的声场中，麦克风的开路输出电压。利用声压驱动振膜变形，再将振膜振动转换为电信号。所以其灵敏度S等于输出的电压ΔV与声压P的比值 对电容式麦克风来说，其声电换能机理是：声压驱动膜片振动，造成膜片和背板之间的空气间隙d发生变化，从而其电容值C变化，最终输出电压ΔV。ASIC再读取平板电容的电压并进行处理。 噪声也是麦克风一个重要的性能指标，灵敏度-固有噪声即为麦克风信噪比。麦克风噪声主要来源于热噪声，或者说是机械热噪声。 MEMS麦克风振膜材料常用um级别厚度的单晶硅、多晶硅、氮化硅等。 几款MEMS麦克风内部图像，底部是PCB板，顶部是金属外壳，内部由MEMS芯片（背板、振膜）、ASIC、印刷电路板、空腔等组件构成。 02— 麦克风等效电路和有限元仿真 关于电容式麦克风的仿真，通常会采用集总参数拟合等效电路的方式，将电、结构、声都类比为电路进行计算，可以很快地计算其灵敏度和频率响应。 技术文档《Microphone Handbook Vol. 1: Theory》2.3.10 基于等效电路模型的麦克风建模 但由于MEMS电容式麦克风有很多细小尺寸的结构，需要考虑空气热粘性造成复杂的阻尼、腔体等效容积变化等影响，等效电路近似计算谐振峰的频率、谐振峰的高度会不太准确，且灵敏度的计算也会存在一定偏差。准确仿真还是需要采用有限元的方式进行计算。 仿真设置方法可以参考Comsol软件自带的案例库-声学模块-电声换能器下的这两个模型：“Brüel & Kjær 4134 电容麦克风” “轴对称电容麦克风” 03— 电容式MEMS麦克风有限元仿真建模 电容式MEMS麦克风出于不同应用和工艺的考量，会有不同的封装方式。入声孔有些开在外壳上，有些开在PCB板上。 当然对有限元仿真来说，这几种封装方式没有本质区别，只是几何模型的差异。选取一种设计做仿真。 电容式MEMS麦克风的仿真涉及静电、结构、声、热耦合，还是比较复杂的。 仿真得到麦克风的频响曲线，1kHz灵敏度-54dBV/Pa 膜片的谐振频率51kHz，远远大于工作频段 空气谐振频率22kHz，刚好对应频响曲线的高频峰。这个谐振峰是由于入声孔和前腔谐振造成，通过入声孔尺寸和前腔容积的设计，可以调整麦克风的高频段响应。

本文首发于微信公众号「声学号角」 欢迎大家关注作者慕望星的知乎专栏“麦克风知识总结” https://www.zhihu.com/column/c_1347707114064994304 点击“阅读原文”可跳转 《Microphone Handbook Vol. 1: Theory》为Brüel & Kjær声学与振动测量公司（简称BK）发布的一份技术文档手册。这份技术文档以BK公司的麦克风产品为例，解释麦克风产品的相关术语，并深入介绍了麦克风及前置放大器背后的理论。 原书的链接如下： https://www.bksv.com/media/doc/be1447.pdf 本篇文章为对原手册（英文版）相关内容的中文翻译。水平有限，如有不妥之处，恳请大佬指出。 2.3.5 振膜和空气刚度 麦克风灵敏度与振膜系统的刚度成反比，因此必须小心控制。刚度的主要部分是由于振膜的机械张力，它像鼓的外壳一样被拉伸。张力越高，刚度越高，麦克风灵敏度越低。 压强传感麦克风具有内部充气腔，其通常由外壳、绝缘子和振膜构成。理想情况下，这个空腔中没有声压，因此，外部压强会移动振膜并产生电输出信号。然而，由于振膜位移，实际上在空腔中会产生较小的声压。该压强反作用于外部压强，通常将振膜位移减少10 %。这种效应可以用空气刚度来表示，说明空气刚度占膜片系统总刚度的10 %。 空腔刚度一部分取决于空腔体积，一部分取决于静压。因此，麦克风的总刚度和灵敏度为静压的函数。为了将静压对麦克风灵敏度的影响降至最低，空腔的刚度必须小于振膜的刚度，如下式所示。振膜刚度低的麦克风比振膜刚度高的麦克风需要更大的腔体体积。 其中： S(Ps) = 麦克风灵敏度(静态压强的函数) Ps = 静压 Ps,ref = 参考静压，在该压强下，“F”有效 F = 参考静压下空气刚度的百分比分数(空气刚度与总振膜系统刚度之比) 2.3.6 静态压强均衡 静压可能在几小时内变化，也可能随着测量地点(海拔高度)变化。压强变化很容易比要测量的最低声压大10^8到10^9倍。为了消除这种压强变化的影响，麦克风配有一个静压均衡通气孔。通气孔是一个狭窄的空气通道，确保内腔的静压跟随着环境的压强。如果没有通气孔，静压变化可能会产生大的干扰信号(放大器过载)，并可能会使膜片明显偏离其正确的工作位置。这将导致故障或显著的灵敏度变化。内腔的微小通气通道通向麦克风的侧面或后部，麦克风因此被命名为“侧面通气”或“后部通气”，参见图2.5。对于某些特定应用，选择合适类型的麦克风很重要，参见第2.3.7节和第5章。 图2.5 侧部和后部通气麦克风 必须非常小心地控制通气孔，以均衡静压变化，而不抑制要测量的声压的低频分量。由于这些压强变化的性质是相同的，这并不总是可以避免的。 2.3.7 低频响应和通气孔位置 麦克风压强均衡系统的时间常数通常为0.1秒。这是一个很好的实际折衷方案，因为均衡通常足够快以消除静压变化带来的干扰。它还为麦克风提供了平坦的幅度响应，低至5 Hz以下，足以满足大多数应用的要求。 低于10 Hz时，麦克风的频率响应受压强均衡时间常数和外部通气孔位置的影响很大。通气孔可能暴露在声场中或在声场之外，参见图2.6。在两种情况下，响应非常不同。 图2.6 在声场内部（B）和外部（A）的压强平衡通气孔。不同的情况会导致低频下麦克风响应的不同 在一般的就地测量条件下，通气孔会暴露在声场中。在这种情况下，通风孔将趋向于均衡低频处的声压。这减小了振动膜前后之间的压强差，并导致较小的振膜位移和较低的麦克风灵敏度。频率越低，这种效应越显着。灵敏度将随着频率降低继续下降。在非常低的频率下，斜率最大可达每十倍频程下降20 dB，参见图2.7中下方的曲线。 图2.7 静压平衡排气孔位于声场内部（B）和外部（A）的情况下的低频响应 响应降低3 dB处的频率称为麦克风的下限频率。在Brüel＆Kjær，通常将250 Hz用作参考频率，因为该频率位于频率响应特性的最平坦和最明确定义的部分之内。 在某些测量情况下，只有麦克风振膜暴露在声场中。当麦克风用于小型外壳（例如各种类型的声耦合器）中进行测量时，通常会出现这种情况。在这种情况下，响应不会随着频率降低而下降。实际上，它随着频率的下降而增加，这是因为由内腔中的相对压强引起的刚度系数随着通气孔方式的平衡而变小，如图2.7所示。对于空气刚度系数较低的麦克风，低频灵敏度的增加较小。 下限频率是静压强的函数，因为这决定了内腔的柔顺度。通常，这种影响可以忽略，但是在特定情况下，响应可能会发生重大变化。增压箱、潜水钟和某些飞机的内部可能就是这种情况。对于环境压强为0.5、1.0、2.0和10 bar以及空气刚度为10％的传声器，图2.8中给出了计算的幅度和相位响应的示例。注意，曲线的计算没有考虑腔壁的热传导效应。因此，这些曲线并不精确，但是仍然可以很好地说明气压对低频响应的影响。 图2.8 低频麦克风响应的幅度受环境压强影响。显示的响应是经过计算的，并且均以250 Hz归一化。它们适用于在额定环境压强（101.3 kPa）下具有10％空气刚度的麦克风：a）1 bar，b）2 bar，c）10 bar，d）0.5 bar ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 【得到作者授权转载】 欢迎大家关注作者慕望星的知乎专栏“麦克风知识总结” https://www.zhihu.com/column/c_1347707114064994304 点击“阅读原文”可跳转 《Microphone Handbook Vol. 1: Theory》为Brüel & Kjær声学与振动测量公司（简称BK）发布的一份技术文档手册。这份技术文档以BK公司的麦克风产品为例，解释麦克风产品的相关术语，并深入介绍了麦克风及前置放大器背后的理论。 原书的链接如下： https://www.bksv.com/media/doc/be1447.pdf 本篇文章为笔者对原手册（英文版）的2.3.10节（测量级麦克风设计：基于等效电路模型的麦克风建模）的中文翻译。笔者水平有限，如有不妥之处，恳请大佬指出。 2.3.10 基于等效电路模型的麦克风建模 多年来，电路分析一直是众所周知且广泛应用的学科。如今，做电路分析已经可以使用非常有效的计算机程序。这使得麦克风设计人员和做声学系统（包括麦克风）的设计人员都对该技术非常感兴趣。 为了在设计麦克风时使用这些工具，必须通过将声学电路元件转换为等效电路元件，并将其与声学电路相对应地串联和并联，来制作模型。有两个主要的类比方法，阻抗 类比和导纳类比。阻抗类比是对麦克风电路建模的普遍应用类比方法。 声学顺度（对应刚度的倒数）被转换为电容。声学质量对应于电感，并且声学阻尼由电阻表示。在这样的模型中，压力对应于电压，声学体积速度对应于电流，声学位移对应于电荷。 在所有元件均以等效单位给出的条件下，可以简单地通过合理连接声学元件和电学元件，来对声学-机械-电的组合结构（如电容式麦克风）进行建模。参阅下表。 表2.1 用于电容式麦克风建模的声学参数和等效电参数 声学参数 等效电参数 声压 电压 柔顺度 电容 刚度 电容的倒数 质量 电感 声阻 电阻 体积速度 电流 体积位移 电荷 麦克风设计人员可能会使用非常复杂的模型，这些模型会考虑到许多设计细节，并计算其对响应的影响。对于用户或声学系统（包括麦克风）的设计者来说，简单的模型通常就足够了。将声学振膜阻抗描述为频率函数的模型，通常用于确定麦克风对狭窄通道或封闭腔体（例如用于标定麦克风或耳机的耦合器）的声压的影响。 图2.13中所示的等效电路和表2.2中说明的参考组件值，构成了麦克风的模型。所示示例对应于振膜谐振频率为10 kHz的麦克风，该麦克风的振膜如同压力（压力场）麦克风的振膜，处于临界阻尼状态（品质因数，Q=1）。 图2.13 麦克风模型。等效电路的组件表示机电系统的刚度，质量和阻尼。模型的响应取决于静压均衡孔是否暴露在声压中（如果暴露：（3）与（1）连接；如果未暴露：（3）与（2）连接） 表2.2 图2.13所示的麦克风模型元件的值。该模型对应的麦克风（50 mV/Pa）的膜片处于临界阻尼状态，其谐振频率为10 kHz 符号 模型元件 Cd 膜片顺度 Ld 膜片质量 Ls 膜片后面的缝隙的声质量 Rs 膜片后面的缝隙的声阻 Cc 内腔的声顺 Rv 均压孔的声阻 C1 声学耦合顺度 C2 耦合顺度/电容 C3 电学耦合电容 Ce 电容（膜片受阻时） 这样的模型可以用于计算灵敏度和频率响应（幅度和相位），可以在静压均衡孔处有无声压的情况下求解模型。该模型也可以用来确定复杂的声学振膜阻抗以及电阻抗。另外，该模型还可以计算麦克风的固有电噪声，因为麦克风的固有电噪声可以视为电阻元件的噪声（也称为奈奎斯特和约翰逊噪声）。 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 传声器简介 传声器（Microphone），一般工业界音译为“麦克风”，俗称“咪头”。学术界较为正式的名称还是传声器，因为表征了其功能。 传声器和扬声器一样，涉及到不同能量的转换，属于声频系统中比较薄弱的环节。 放大器、调音台、信号处理设备等也是声频设备中的重要环节，技术上也很复杂，但它们属于电信号的输入、放大、处理、输出，不涉及不同性质能量的改变。随着电子技术、计算机技术和DSP技术的发展，这些设备的性能和技术指标都快速提高。 传声器的主要电声性能技术指标包括： 灵敏度（Sensitivity） 表示传声器的声-电转换效率，一般以1000Hz测得的开路输出电压/受到的声压，单位为V/Pa。传声器灵敏度高，一般可以获得较高的信噪比。 频率响应（Frequency Response） 指在恒定声压情况下，轴向0°不同信号频率测得的输出电压。不同类型，和不同设计的传声器频响曲线走势是不一样的。 指向性（Direction） 指声波以θ角入射时，传声器灵敏度/轴向0°入射灵敏度。 常见的指向性有：无指向（或称全指向），8字型，心型，超心型，锐心型，超指向等。 不同场合需要使用不同的指向性传声器。 输出阻抗（Output Impedance） 即传声器的交流内阻抗。通常以1000Hz，声压1Pa来测试得到。 动态范围（Dynamic Range） 指传声器在谐波失真达到某一规格值（比如0.5%）时，所承受的最大声压级与传声器的噪声中间的差值（dB）。 瞬态响应（Transient Response） 指传声器的输出电压随输入声压急剧变化的能力，不同振膜和不同原理器件的响应是有差异的。 02 — 按换能原理分类的传声器 动圈式传声器 Dynamic Microphone 和动圈扬声器类似，示意图如下： 优点是使用简单，可靠，不需要前置放大器和极化电压，但瞬态响应特性和高频特性不如电容式传声器。 带式传声器 Ribbon Microphone 可以看成动圈传声器变形，带状导体即是振膜又是音圈。一般采用铝合金带状振膜，置于磁场之中。 声波驱动振膜振动，从而切割磁感线，在振膜两侧产生感生电动势，进而产生电流，将声音转换为对应的电信号。效率一般较低。 电容式传声器 Capacitor Microphone，Condenser Microphone/静电传声器 Electrostatic Microphone 其拾音头（极头，Cartridge）部分是一个平板电容器。其中一个极称为背极，固定不动；另一个极是振膜，一般由薄金属膜或金属化塑料薄膜构成。 声波驱动振膜振动，改变两极板之间的距离，使得电容量发生变化，导致电回路中的电流变化，从而产生一个交流变化的输出电压。也就达到了将声能转换为电能的过程。 由于极头的电容C很小，输出阻抗很高，所以一般需要前置放大器电路，形成阻抗转换器，将高阻抗转变为低阻抗输出。 电容传声器振膜轻薄，灵敏度高，频率响应平坦，瞬态好；缺点是工艺复杂，牢靠性差，需要较好的防震防摔，且需要较高的直流偏置电压，所以也存在待机功耗。 驻极体电容式传声器 Electret condenser microphone 某些电介质经过高温高压处理，能在两个表面分别储存正负电荷，这种电介质被称为驻极体。和永磁体有点类似。 目前常用驻极体材料有聚丙烯（PP）、聚全氟乙丙烯（FEP）等。聚丙烯（PP）有较高的电荷密度，但耐潮性差。聚全氟乙丙烯（FEP）具有较高电荷密度，且稳定性好，耐高温，所以被广泛应用于电声器件中。 振膜式驻极体传声器 背极式驻极体传声器 驻极体传声器和常规电容式传声器工作原理类似，只是不需要外加极化电压，而是由驻极体膜片或带驻极体薄层的极板表面电位来代替。 炭粒式传声器 Carbon Microphone 声压作用在振膜上，使得炭粒受到的压力发生变化，从而导致接触电阻变化，使得两端输出电压改变。 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 随着声学微机电系统（MEMS）成为移动应用麦克风领域的最新以及最普遍的技术，大家对使用MEMS技术替代传统的动圈微型扬声器越来越感兴趣。 不过目前MEMS扬声器并未开始大规模使用，原因在于目前大部分MEMS扬声器声压级SPL还不够，或者部分能达到较高声压级的MEMS扬声器的制造工艺复杂而且昂贵。 介绍一种新型的压电微机电扬声器。基于同心的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）的内外两分频集成MEMS扬声器。 和之前介绍过的压电MEMS入耳式耳机的单元类似，没有封闭的膜片，以提高压电片位移，改善声学性能，以及提高电声转换效率，还便于生产制造。 压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析 下图是我复现的压电MEMS入耳式耳机的有限元仿真结果，其中的膜片振动情况，以及仿真得到的1V激励时未加EQ，耳膜处的频响曲线。 通过有限元分析研究表明，在30V激励下工作的1cm² 尺寸的产品，测试距离10cm，在500Hz处声压级超过79dB，800Hz以上的频率声压级可以做到89dB。 已使用MEMS技术制造了第一批扬声器的原型样品。 产品的截面图 产品的俯视图 使用15μm厚的多晶硅+2μm厚的PZT，激励电压30V，产品面积10*10mm² 。 进行有限元仿真，位移可以达到0.4mm。 100Hz的横截面位移分布 对比不同片的间隙，5μm和25μm的速度场分布 对于5μm的小间隙，其导致的轻微泄漏，对整体流动行为的影响可忽略不计 。而如果间隙尺寸为25μm，则会导致明显的声损耗。 另外间隙过大时还需要考虑前后腔体的声短路影响。针对其中的高音扬声器，仿真对比不同间隙的频率响应曲线。驱动电压30V，尺寸4*4mm²。 和预期的类似，如果间隙大于25μm，低于5 kHz的声损耗显著提升，导致SPL急剧下降。然而，对于小于10μm的间隙，由于声短路几乎消失，这意味着驱动器在声学上表现得像一个封闭的膜。 下图时30V激励电压，且未做EQ处理时，仿真得到的低音、高音、整体的频响曲线。可以从800Hz到20kHz实现>89dB的声压级。 使用硅MEMS技术制作了上面描述的扬声器样品。 制作工艺流程 最终成品照片，还挺精致漂亮 使用扫描电子显微镜检查细节，高音间隙9μm 由于MEMS扬声器的高能效，可制造性以及可扩展性等其他优势，在包括可穿戴设备在内的广泛移动应用中显示出巨大潜力。未来可期。 大家也要多储备相关的知识和技能。可能将迎来一个新的时代变革。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 什么是麦克风阵列 麦克风阵列是由一定数目的麦克风组成，对声场的空间特性进行采样并滤波的系统。 目前常用的麦克风阵列可以按布局形状分为：线性阵列，平面阵列，以及立体阵列。其几何构型是按设计已知，所有麦克风的频率响应一致，麦克风的采样时钟也是同步的。 02 — 麦克风阵列的作用 麦克风阵列一般用于： 声源定位，包括角度和距离的测量 抑制背景噪声、干扰、混响、回声 信号提取 信号分离 03 — 声源定位技术 利用麦克风阵列计算声源距离阵列的角度和距离，实现对目标声源的跟踪。 基于TDOA（Time Difference Of Arrival，到达时间差）的声源定位技术。估计信号到达两两麦克风之间的时间差，从而得到声源位置坐标的方程组。然后求解方程组即可得到声源的精确方位坐标。 04 — 信号的提取与分离 通过波束形成技术，在期望方向上有效地形成一个波束，仅拾取波束内的信号，从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的。 05 — 语音去混响 混响（Reverberation）是指声波在室内传播时，被墙壁、天花板、地板等障碍物形成反射声，并和直达声形成叠加的现象。 混响的作用 混响是声学中最重要的现象之一 合适的混响会使得声音圆润动听、富有感染力。 混响时间太长会使得声音含糊不清，听不清楚。 混响是建筑声学中要重点考虑的问题 演讲厅要短一些的混响时间，比如北京学术报告厅混响时间为1s 交响乐则需要长一些的混响时间，比如上海音乐厅混响时间为1.5s，维也纳音乐厅为2.05s 过大的混响会带来音素的交叠掩蔽现象，严重影响语音识别效果，尤其是远距离语音识别。 目前主流采用麦克风阵列+深度学习的方式来进行去混响。 06 — 线性麦克风阵列 加性麦克风阵列( Additive Microphone Array) 阵列的输出是各阵元的加权和 最优波束方向可调 结构简单、方便布局 适用于车载、家电等场合 差分麦克风阵列( Differential Microphone Array ) 阵列的输出是两两麦克风之间的加权相减 最优波束方向只能在末端方向 适用于耳机通话等场合 07 — 平面麦克风阵列 平面麦克风阵列（Planar Microphone Array ） 实现平面360度等效拾音 麦克风个数越多，空间划分越精细，语音增强和降噪效果越好 广泛用于智能音箱和交互机器人上 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 第二届AES国际耳机技术大会刚于2019年8月29日在美国加利福尼亚州旧金山结束。 AES国际耳机技术大会 会议中有发表一篇论文“Design and electroacoustic analysis of a piezoelectric MEMS in-ear headphone”（压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析）。作者是来自德国的Andreas Männchen等人。 文中深入探讨了带有压电MEMS扬声器的入耳式耳机演示样品。演示样品包括，MEMS扬声器，耳机外壳，信号处理和应用特定的功放。研究的主要焦点在于MEMS耳机的详尽电声分析，包括电阻抗测量，各种声学测量以及压电MEMS驱动器的热行为研究。结果表明该技术在入耳式应用中具有很高的潜力，并认为在未来的改进中可以提供更好的声学性能。 压电MEMS扬声器样品简图 4片三角形的悬臂压电薄片，组成一个4mm*4mm的正方形。每片压电片由15um厚的多晶硅和2um的PZT（压电锆钛酸铅）组成。 压电片之间留9um间隙，以便机械解耦，并提供尽可能大的驱动位移。间隙非常窄，考虑空气的热粘性，空气泄露很小，可以忽略。所以虽然压电片之间有间隙，但可以当成一个整体。这样机电效率可以提升，并且不需要额外的柔性膜片。 压电MEMS入耳式耳机样品简图 前后腔设计和DSP调试和常规耳机是一样。 不过功放需要特殊定制。因为需要至少等于音频信号交流电压幅度的正向直流偏置电压，并且放大器必须能够稳定地驱动相对高的容性负载。 演示样品实物图片 阻抗幅值和相位曲线，激励电压1V直流偏置/ 0.2V交流 阻抗呈现容性。幅值斜率约-6dB/oct。从77kΩ@20Hz到84Ω@20kHz。相位基本保持-90°，除了9.3kHz出现一个谐振。电容约等于99nF。 声压级频响曲线测试结果，包含和不包含DSP。 频率响应测试的耳模拟器是根据IEC 60318-4采用GRAS RA0401。因为低频阻抗非常大，所以虽然激励电压需要较高10V，其功耗相对常规耳机其实会更小。 转换为相对于1mW功率的灵敏度 失真，1V不带DSP 失真，1V 带DSP 失真，10V 带DSP 1V激励时，失真还可接受。10V激励时中频失真较高。 主要是2次谐波失真，应该是存在一个非对称的非线性因素。很有可能是压电片本身的形状和材料等特性造成的。 互调失真 温度上升测量 无外壳，仅仅是压电MEMS扬声器。 器件表面增加了一层哑光黑色薄膜喷漆，以提高热辐射率。 在最恶劣的条件下，20kHz，10V直流，10V交流正弦信号激励下，172秒后最高温度稳定在27.2°，温度仅上升6.5℃。 这也是采用压电MEMS扬声器的优势之一，温升很低。 未来改善的方向 提高灵敏度。 改善压电片的形状和材料特性。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。 降低失真 增加机械阻尼，需要找到对应的材料和工艺 改变压电MEMS的设计，比如采用双向压电片，或许可以降低偶次谐波失真和互调失真。 自适应的非线性补偿。构建压电MEMS耳机的模型，通过音频算法来补偿失真。 改变压电材料。比如采用铝氮化钪（AlScN）等。这种材料已被证明具有高压电线性，可进一步降低非线性失真。此外，预计AlScN的材料变化会增加传感器灵敏度并消除对直流偏置的需求。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。且电容显着减小，从而简化了放大器电子元件。 除了耳机之外，压电MEMS扬声器也有可能应用在可穿戴设备，助听器，智能手机接收器以及智能手机或平板电脑等移动设备。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。