浅析硬件“好声音”: 声学器件

随着智能化产品的普及，音视频硬件在电子设计中所占的比例越来越高。常见如电视机、导航仪、商超机器人等。音视频硬件中，声学器件是必不可少的基础元件，声学器件主要包括麦克风和喇叭，麦克风拾取声音，喇叭播放声音。麦克风和喇叭的性能优劣，会直接影响到智能语音设备的人机交互体验，本文将对麦克风和喇叭的基础知识做一个简单介绍。

麦克风简介

麦克风是声电换能器件，学术名称传声器。广泛应用于通话、语音识别、音乐录制和主动降噪等场合。

麦克风可以将声音的变化通过特定的机制转换为电压或电流的变化，再交给电路系统进行处理。根据不同的声电转换机制，麦克风分为不同的类型，包括动圈式麦克风、电容式麦克风和压电式麦克风等。目前市场上常见的微型麦克风主要是电容式的。

电容式麦克风主要分为两类，一类为驻极体麦克风（ECM），一类为硅麦克风（MEMS Mic）。其中硅麦克风性能一致性高，受环境影响极小，体积小巧，便于集成在电路中。所以归麦克风凭借其良好的性能，迅速成为消费类产品的首选声学元器件。如下图所示为两种类型麦克风的示例图。

麦克风的工作原理

以硅麦克风为例，硅麦克风里面的MEMS芯片实际上是一个由硅振膜和硅背极板组成的微型电容器，硅振膜能感测声压的变化，将声压转化为电容变化。

如下图2所示，硅振膜、硅背极板以及它们之间的空气隙共同组成一个平行板电容器，故有：

U=Q/C

其中U为电容器两端电压，Q为电容器所存储的电荷量，C为电容器的电容量。

又应平行板电容器的计算公式为C=εS/4πkd，其中ε为介电常数，S为极板的面积，k为常数，所以：

U=4πkdQ/εS      Δd∝ ΔU

当声音变化产生一个变动的声压，麦克风振膜检测到变动的声压后产生振动，改变振膜与背极板之间的距离Δd，进而产生一个变化的电压ΔU，经麦克风内部的芯片接收并输出，从而将声音信号转化为电信号，实现声-电的转换。

喇叭简介

喇叭是将电信号转换成声信号的电声换能器件，学术名称扬声器。喇叭的种类按照驱动结构分类，可分为电动式、电磁式、静电式和压电式等，其中电动式扬声器是行业的主流。电动式扬声器中的动圈式扬声器是目前行业使用最多和最广泛的扬声器。动圈式扬声器具有结构简单，生产容易，同时性能优良，稳定性好等特性。

动圈式扬声器由磁路组件和振子组件两部分组成，主要零件有：振膜、音圈和磁铁等。

喇叭的工作原理

电动式扬声器的作用原理是利用载流导体（由音频电流馈电的音圈）在永久磁体的磁场之间的相互作用，使音圈振动而带动振膜振动。其能量变换方式是电能—机械能—声能。

如下图，当垂直于磁场的导体有电流的话，导体就会在垂直于磁场及电流的方向上受到力作用，在扬声器的磁路的间隙有一个环状磁场，线圈位于这个间隙内，当外界的信号电流发生改变时，根据佛来明左手定则，线圈就会随着电流的大小和方向受力运动，推动与音圈连在一起的振膜向外辐射声音。