麥克風

麥克風根據其換能原理可劃分為電動麥克風和電容麥克風兩種。其中電動類又可細分為動圈麥克風和鋁帶麥克風 ^[2]  。

常見的商用麥克風類型有電容式麥克風、晶體麥克風碳質麥克風以及動態麥克風。常用的電容式麥克風使用的能量源有兩種：直流偏置電源和駐極體薄膜。這兩種電容式麥克風和晶體麥克風都是將聲能轉換為電能，產生一個變化的電場。碳質麥克風採用直流電壓源，通過聲音振動改變其電阻，從而將聲信號轉換為電信號。電容式、晶體以及碳質麥克風都產生一個與敏感膜位移成正比的電壓信號，而動態麥克風則產生一個與敏感膜的振動的振動速率成正比的電壓信號。動態麥克風採用永磁體為能量源，基於電感效應將聲能轉換為電能 ^[3]  。

大多數麥克風都是駐極體電容器麥克風（ECM），這種技術已經有幾十年的歷史。ECM 的工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動膜。與ECM的聚合材料振動膜相比，MEMS麥克風在不同温度下的性能都十分穩定，不會受温度、振動、濕度和時間的影響。由於耐熱性強，MEMS麥克風可承受260℃的高温迴流焊，而性能不會有任何變化。由於組裝前後敏感性變化很小，這甚至可以節省製造過程中的音頻調試成本。目前，集成電路工藝正越來越廣泛地被應用在傳感器及傳感器接口集成電路的製造中。這種微製造工藝具有精確、設計靈活、尺寸微型化、可與信號處理電路集成、低成本、大批量生產的優點。早期微型麥克風是基於壓阻效應的，有研究報道稱，製作了以(1×1)cm2、2μm厚的多晶硅膜為敏感膜的麥克風。但是，在敏感膜內不存在應力的情況下，這樣大並且很薄的多晶硅膜的一階諧振頻率將低於300Hz。一階諧振頻率在這樣低的頻段範圍內將導致麥克風在聽覺頻率範圍內的頻率響應極不均勻(靈敏度的變化量大於40dB)，這對於麥克風應用是不可接受的。當敏感膜內存在張應力時，其諧振頻率將增大，卻以犧牲靈敏度為代價。當然，可以通過調整敏感膜的尺寸來獲得更高的一階諧振頻率，但是這仍將減小靈敏度。由此可見，壓阻式方案並不適於微型麥克風的製造 ^[3]  。

一種可行的解決方案就是採用電容式方案，來製造微型麥克風。這一方法的優點就是：在集成電路製造工藝中使用的所有材料都可用於傳感器的製造。但是採用單芯片工藝製造微麥克風有相當難度，因為在兩個電容極板之間的空氣介質只能有很小的間隔。而且，由於尺寸的限制，在一些應用場合偏置電壓很難滿足。基於上述問題，對於電容式麥克風的研究一直沒有間斷過 ^[3]  。

相比傳統的駐極體麥克風，微機電系統（micro-electro-mechanical systems，MEMS）麥克風擁有體積小、耐熱性好、一致性好、穩定性好、可靠性高、抗射頻干擾等優勢，還可以輸出數字信號並有利於智能化發展，其市場規模在近10年保持快速增長的勢頭，各種新興應用層出不窮，從智能手機到智能音箱，再到真無線立體聲（true wireless stereo，TWS）耳機。 ^[9] 

20世紀初，麥克風由最初通過電阻轉換聲電發展為電感、電容式轉換，大量新的麥克風技術逐漸發展起來，這其中包括鋁帶動圈等麥克風，以及當前廣泛使用的電容麥克風和駐極體麥克風。圈麥克風的工作原理是以人聲通過空氣使震膜振動，然後在震膜上的電磁線圈繞組和環繞在動圈麥頭的磁鐵形成磁力場切割，形成微弱的波動電流。電流輸送到擴音器，再以相反的過程把波動電流變成聲音 ^[4]  。

對於鋁帶麥克風來説，其使用的鋁帶既是麥克風膜片，又是在磁場中運動的導體。鋁帶通常由鋁帛製成，厚0~1毫米，寬2毫米~4毫米，質量僅為0.2毫克，以求達到較好的瞬態反應。為了取得在2kHz~4kHz之間較理想的共振頻率，鋁帶被製成皺摺狀以保持一個精確的張力值。鋁帶作為導體和麥克風膜片被懸掛於兩磁極面中間的磁場中，隨入射聲波頻率而振動，同時在鋁帶兩端產生一定的電壓輸出 ^[2]  。

電容式麥克風有兩塊金屬極板，其中一塊表面塗有駐極體薄膜（多數為聚全氟乙丙烯）並將其接地，另一極板接在場效應晶體管的柵極上，柵極與源極之間接有一個二極管。當駐極體膜片本身帶有電荷，表面電荷地電量為Q，板極間地電容量為C，則在極頭上產生地電壓U=Q/C，當受到振動或受到氣流地摩擦時，由於振動使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會引起電壓的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率，這就是駐極體傳聲器地工作原理 ^[2]  。

電容式麥克風的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其濕度性能好，產生的表面電荷多，受濕度影響小。由於這種傳聲器也是電容式結構，信號內阻很大，為了將聲音產生的電壓信號引出來並加以放大，其輸出端也必須使用場效應晶體管 ^[2]  。

指向性也叫話筒的極性( polar pattern)，它指話筒拾取來自不同方向的聲音的能力。一般分全向型、心型、超心型、8字型 ^[5]  。

全向型(Omnidirectional)也叫無方向型，它對各個方向的聲音有相同的靈敏度。心型(Cardioid)屬指向型話筒，前端靈敏度最強，後端靈敏度最弱。超心型(Supercardioid)拾音區域比心型話筒更窄，但後端也會拾取聲音。8字型分別從前方和後方拾取聲音，但不從側面(90度角)拾音 ^[5]  。

指麥克風的開路電壓與作用在其膜片上的聲壓之比。實際上，麥克風在聲場必然會引起聲場散射，所以靈敏度有兩種定義。一種是實際作用於膜片上的聲壓，稱為聲壓靈敏度，另一種是指麥克風未置入聲場的聲場聲壓，稱為聲場靈敏度，其中聲場靈敏度又分為自由場靈敏度和擴散場靈敏度。通常錄音用麥克風給出聲壓靈敏度，測量用麥克風因應用類型給出聲壓或聲場靈敏度 ^[5]  。

靈敏度的單位是伏/帕（伏特/帕斯卡，V/Pa），通常使用靈敏度級來表示，參考靈敏度為1V/Pa ^[5]  。

是指麥克風接受到不同頻率聲音時，輸出信號會隨着頻率的變化而發生放大或衰減。最理想的頻率響應曲線為一條水平線，代表輸出信號能直實呈現原始聲音的特性，但這種理想情況不容易實現。一般來説，電容式麥克風的頻率響應曲線會比動圈式的來得平坦。常見的麥克風頻率響應曲線大多為高低頻衰減，而中低頻略為放大 ^[5]  。

頻率響應曲線圖中，橫軸為頻率，單位為赫茲，大部份情況取對數來表示；縱軸則為靈敏度，單位為分貝 ^[5]  。

3-pin XLR接頭可以產生平衡輸出信號，可有效消除外來的噪聲干擾。三支針腳會標明1、2、3三個數字；在美規中，1代表接地線，2代表正相（hot）訊號，3代表反相（cold）訊號；歐規中，1代表接地線，2代表反相（cold）訊號，3代表正相（hot）訊號 ^[5]  。

用傳聲器輸出信號電壓與傳聲器內在噪聲電壓比值的對數值來衡量。一般優質電容式傳聲器的S/N值為55~57dB ^[6]  。

動態範圍小，會引起聲音失真，音質變壞，因此要求足夠大的動態範圍 ^[6]  。

等效噪聲級

聲波的聲壓作用在傳聲器上所產生的輸出電壓同傳聲器本身固有噪聲產生的輸出電壓相等，該聲波聲壓就等於傳聲器的等效噪聲級 ^[6]  。

諧波失真是指輸出信號比輸入信號多出的諧波成分。諧波失真由於系統不是完全線性造成的。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般説來，500Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。總諧波失真在1%以F，入耳分辨不出來，超過10%就可以明顯聽出失真的成分。數值越小，音色就更加純淨，表明產品品質越高。一般產品的總諧波失真都小於1%（以500Hz頻率測量） ^[6]  。

1/4吋（6.3mm）接頭以及3.5mm接頭有分單聲道（mono）和立體聲（stereo）兩種，簡單的區分方式是看接頭上有幾個黑色的絕緣環，兩個絕緣環代表立體聲，一個絕緣環則代表單聲道 ^[2]  。

與透鏡的焦距有不同的變化一樣，麥克風採集聲音的角度也是各不相同的。心形麥克風可以從多個角度採集聲音。超心形麥克風採集聲音的角度要相對小一些。槍形麥克風採集聲音的角度和前兩者相比更窄。與鏡頭不同，麥克風種類的臨界點並不精密。單人攝錄，也就是不和攝錄組進行的拍攝，最佳麥克風選擇是小型的槍式麥克風 ^[7]  。

速率成正比的電壓信號。動態麥克風採用永磁體為能量源，基於電感效應將聲能轉換為電能 ^[3]  。

麥克風的歷史可以追溯到19世紀末，貝爾（Alexander Graham Bell）等科學家致力於尋找更好地拾取聲音的辦法，以用於改進當時的最新發明——電話。期間他們發明了液體麥克風和碳粒麥克風，這些麥克風效果並不理想，只是勉強能夠使用 ^[8]  。

1949年，威尼伯斯特實驗室（森海塞爾的前身）研製出MD4型麥克風，它能夠在嘈雜環境中有效抑制聲音回授，降低背景噪音。這就是世界上第一款抑制反饋的降噪型麥克風 ^[8]  。

1961年，德國漢諾威的工業博覽會上，森海塞爾推出了MK102型和MK103型麥克風。這兩款麥克風詮釋了一個全新的麥克風製造理念——RF射頻電容式，即採用小而薄的振動膜，具有體積小，重量輕的特點，同時能夠保證出色的音質；另外，這種麥克風對電磁干擾非常敏感。它們對氣候的影響具有很強的抗干擾性能，非常適用於一些全新的領域。例如，探險隊的使用，日夜在室外操作，面對温差極大的、氣候惡劣的户外條件，該麥克風仍然表現出眾 ^[8]  。