传声器基础知识简介

一，        传声器的定义：：

   传声器是一个声-电转换器件（也可以称为换能器或传感器），是和喇叭正好相反的一个器件（电→声）。是声音设备的两个终端，传声器是输入，喇叭是输出。

传声器又名麦克风，话筒，咪头，咪胆等.

二，        传声器的分类：

1，            从工作原理上分：

炭精粒式

动圈式

驻极体式（以下介绍以驻极体式为主）

压电式

二氧化硅式等.

2，            从尺寸大小分,驻极体式又可分为若干种.

Φ9.7系列产品  Φ8系列产品   Φ6系列产品  

Φ4.5系列产品  Φ4系列产品

每个系列中又有不同的高度

3，            从传声器的方向性，可分为全向，单向，双向（又称为消噪式）

4，            从极化方式上分，振膜式,背极式,前极式

从结构上分又可以分为栅极点焊式,栅极压接式,极环连接式等

5，            从对外连接方式分

普通焊点式：L型

带PIN脚式：P型

同心圆式：  S型

三，        驻极体传声器的结构

以全向MIC,振膜式极环连接式为例

 

1，            防尘网：

保护传声器，防止灰尘落到振膜上，防止外部物体刺破振膜，还有短时间的防水作用。

2，            外壳：

整个传声器的支撑件，其它件封装在外壳之中，是传声器的接地点，还可以起到电磁屏蔽的作用。

3，            振膜：

是一个声-电转换的主要零件，是一个绷紧的特氟窿塑料薄膜粘在一个金属薄圆环上,薄膜与金属环接触的一面镀有一层很薄的金属层,薄膜可以充有电荷，也是组成一个可变电容的一个电极板，而且是可以振动的极板。

4 :  垫片：

支撑电容两极板之间的距离，留有间隙，为振膜振动提供一个空间，从而改变电容量。

5:   极板：

电容的另一个电极，并且连接到了FET的G极上。

6:   极环：

连接极板与FET的G极，并且起到支撑作用。

7:   腔体：

固定极板和极环，从而防止极板和极环对外壳短路（FET的S，G极短路）。

8:   PCB组件：

装有FET，电容等器件，同时也起到固定其它件的作用。

9:   PIN：有的传声器在PCB上带有PIN，可以通过PIN与其他PCB焊接在一起,起连接

另外前极式,,背极式在结构上也略有不同.

四，        、传声器的电原理图：

               FET

                D         RL              VS                                 

          G                              

               S                CO         OUTPUT                                                                                                 

     C        CI  C2             

                                MIC        G

                   

FET(场效应管)MIC的主要器件,起到阻抗变换和放大的作用,

C;是一个可以通过膜片震动而改变电容量的电容,声电转换的主要部件.

C1,C2是为了防止射频干扰而设置的,可以分别对两个射频频段的干扰起到抑制作用.

RL:负载电阻,它的大小决定灵敏度的高低.

VS:工作电压,MIC提供工作电压

:CO:隔直电容,信号输出端.

 

五，        驻极体传声器的工作原理：   

由静电学可知，对于平行板电容器，有如下的关系式：

C=ε·S/L      。。。。。。①

即电容的容量与介质的介电常数成正比，与两个极板的面积成正比，与两个极板之间的距离成反比。

另外，当一个电容器充有Q量的电荷，那麽电容器两个极板要形成一定的电压，有如下关系式；

C=Q/V        。。。。。。②

对于一个驻极体传声器，内部存在一个由振膜，垫片和极板组成的电容器，因为膜片上充有电荷，并且是一个塑料膜，因此当膜片受到声压强的作用，膜片要产生振动，从而改变了膜片与极板之间的距离，从而改变了电容器两个极板之间的距离，产生了一个Δd的变化，因此由公式①可知，必然要产生一个ΔC的变化，由公式②又知，由于ΔC的变化，充电电荷又是固定不变的，因此必然产生一个ΔV的变化。

这样初步完成了一个由声信号到电信号的转换。

由于这个信号非常微弱，内阻非常高，不能直接使用，因此还要进行阻抗变换和放大。

FET场效应管是一个电压控制元件，漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。

由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的，因此相当于FET的S极与G极之间加了一个Δv的变化量，FET的漏极电流I就产生一个ΔI_D的变化量，因此这个电流的变化量就在电阻R_L上产生一个ΔV_D的变化量，这个电压的变化量就可以通过电容C₀输出，这个电压的变化量是由声压引起的，因此整个传声器就完成了一个声电的转换过程。

六，        传声器的主要技术指标：

传声器的测试条件;MIC的使用应规定其工作电压和负载电阻,不同的使用条件,其灵敏度的大小有很大的影响

电压        电阻

1，            消耗电流：即传声器的工作电流

主要是FET在V_SG=0时的电流，根据FET的分档，可以作成不同工作电流的传声器。但是对于工作电压低负载电阻大的情况下,对于工作电流就有严格的要求,]     由电原理图可知

VS=VSD+ID*RL       ID = (VS- VSD)/ RL

式中    ID  FET 在VSG等于零时的电流

        RL为负载电阻

        VSD,即FET的S与D之间的电压降

        VS为标准工作电压

 

总的要求        100μA〈I_DS〈500μA

2，            灵敏度：单位声压强下所能产生电压大小的能力。

单位：V/Pa     或  dBV/Pa  有的公司使用是dBV/μBa

                   -40 dBV/Pa=-60dBV/μBa

0 dBV/Pa=V/Pa

声压强Pa=1N/m²

3，            输出阻抗：基本相当于负载电阻R_L-30%之间。

4，            方向性：

a，             全向: MIC的灵敏度是在相同的距离下在任何方向上相等,全向MIC的结构是PCB上全部密封,因此,声压只有从MIC的音孔进入,因此是属于压强型传声器

频率特性图：

 

       极性图

b，            单向 单向MIC 具有方向性,,如果MIC的音孔正对声源时为0度,那么在0度时灵敏度最高,180度时灵敏度最低,在全方位上呈心型图,单向MIC的结构与全向MIC不同,它是在PCB上开有一些孔,声音可以从音孔和PCB的开孔进入,而且MIC的内部还装有吸音材料,因此是介于压强和压差之间的MIC

  频率特性图：

   

  极性图

c，             消噪型;是属于压差式MIC, 它与单向MIC不同之处在于内部没有吸音材料,它的方向型图是一个8字型

  频率特性:

 

   极性图

 

5，            频率范围：

全向： 50~12000Hz     20~16000Hz

单向：100~12000Hz    100~16000Hz

消噪：100~10000Hz  

6，            最大声压级:是指MIC的失真在3%时的声压级,声压级定义:20μpa=0dBSPL

MaxSPL为115dBSPLA     SPL声压级           A为A计权

7，            S/N信噪比：即MIC的灵敏度与在相同条件下传声器本身的噪声之比，详见产品手册，噪声主要是FET本身的噪声。

七: MIC的测试方法

测试电路图          

         FET

                D         RL                 电流表                           

         G                                 VS

               S                CO         OUTPUT                                                                                                 

     C        CI  C2             

                                MIC        G

                                  

测试仪表   HY系列驻极体传声器测试仪

1:电流的测试:由测试仪上直接读取电流值(μA)

2:灵敏度的测试:首先用标准话筒校准测试仪的声压级为94dB,然后把待测MIC放到已校准的声腔口上,用测试表笔测试MIC的两个极(注意两个表笔的方向),注意MIC的工作电压和负载电阻,可以从测试仪上直接读取70HZHE和1KHZ的灵敏度.

3:方向性测试:要在消声室内进行,B&K2012测试仪, ,B&K旋转台测试.

4频响曲线的测试:要在消声室内进行,B&K2012测试仪, ,B&K旋转台测试.

    5:S/N的测试,首先测试MIC的灵敏度,然后在相同的条件下在消声室内测试 MIC的噪声,注意最好使用干电池,以减少因使用其它电源引起的测试误差,然后计算:S/N=灵敏度电平/噪声电平,在用对数表示.

    6:最大声压级的测试,在消声室内,用B&K2012测试仪测试,逐渐加大声压级,并观察失真值,当失真值等于3%时,这时候的声压级就是最大声压级,记做MAXSPL.应大于115 dBSPLA

八   关于MIC在手机的应用

      手机作为语言信传递是手机功能的一部份,对于语言信息而言,MIC是一个重要的部件,是语言信息的输入端.

1        MI与手机的安装结构相匹配,应根据手机对MIC的予留尺寸选择MIC,(或根据MIC的系列尺寸设计手机外壳及PCB).

2    手机的外壳的开孔一般可以在ø0.8-ø1之间,开孔过大,不美观,开孔过小,会影响MIC的灵敏度.MIC在手机外壳应装到底,之间不应留有间距,因为留有间距相当于在MIC底部与外壳之间形成一个空腔,会对声音的某一些频率产生共振,从而改变了MIC的频响特性.

                                              mic

                                              

       

                                                    空间

 

                                                     外壳

3        话音频率:通常话音的频率是在300HZ-3KHZ之间,通常手机对话音要求在300HZ以下和3KHZ以上迅速衰减,MIC本身的频响是很宽的,例如从50HZ-5KHZ,可见全班向MIC频响曲线,因此MIC本身无法完成这种衰减,这样选频功能必须由手机本身来完成(带通滤波器),只有正确的调试和设置滤波参数.才能达到要求.

4        关于MIC在手机中的抗干扰(EMC)问题:

当手机处于发射状态下,整个手机是处于手机发射的强电磁场内,因此除了手机本身的防电磁干扰之外,对于MIC也提出了抗电磁干扰的问题.

通常措施:

1)  使用金属铝外壳起屏蔽作用.

2)  PCB设计尽量加大接地面积,如同心圆式MIC,或P型MIC.

3)      音孔由一个大孔改为多个小孔,

4)      选用抗干扰性能好的器件,如FET

5)      减少外壳与PCB的封边电阻,提高抗干扰能力.

设计上

1)      采用在S-D之间并接电容的办法,根据频率的不同并接不同的电容.通常对手机使用10P,33P两个电容.

2)      必要时可以在S-D之间并一个小的电容,提高抗干扰能力.

3)      有时也可以利用RC滤波器设计.

    5    MIC在手机上的使用条件应与MIC的灵敏度测试条件相一致,其中包括工作电压,负载电阻.另外在以下情况下还要对MIC的工作电流进    行限定,例如有的手机给MIC的供电电压比较低,(1V),而负载电阻又 比较大(2.2K),这是因为

VS=VSD+ID*RL       ID = (VS- VSD)/ RL

为了保证MIC中的FET工作在线性工作区,不进入饱和区, 应使VSD≥0.7V      因此ID = (1V- 0.7V)/ 2.2K=0.136mA 因此在这种情况下,选用的FET的电流不能大于150μA

6   手机的音频FTA五项测试(Sending Frequency Response. Sending          Distortion  SLR Receiving Frequency Response  RLR) 其中有三项与       MIC有关

          SLR与MIC的灵敏度有关, 音频放大器有关,手机调制特性有关

          Sending Frequency Response 与MIC的频响有关,手机的滤波器有关        关 ,加重特性有关A/D转换器有关

          Sending Distortion 与MIC的噪音有关,放大器的噪声有关,调制噪声有关,A/D转换器有关

7    MIC与手机的连接 .

手机与MIC的连接方式比较多,有

直接焊接式:MIC与手机直接焊接式,如P型MIC的PIN 直接焊在PCB上.但要注意焊接时间和温度,容易通过焊接使MIC损坏或性能改变,不便于维修更换MIC.目前较少使用.

压接式:MIC与手机的PCB通过导电橡胶或弹性金属簧片或弹性金属圆柱连接.例如S型MIC的连接各种胶套.使用组装方便,维修方便,但是价格较高(因为胶套较贵),有时会出现个别接触不良现象,使用较多.

导线连接式:用导线或FPC连接MIC和PCB,例如L型MIC通过导线或FPC连接到手机的PCB上,使用方便焊接对MIC无影响,价格合适接触良好,目前使用较多

九:   不同类型的MIC使用要求;

1;全向MIC的使用:

2单向MIC的使用:

3消噪MIC的使用:

十:   关于传声器的发展方向

1，            小型化  微型化  主要为一些小型设备用,目前我司最小的MICφ4×1.1的MIC

2，            低噪声型，主要为一些要求低噪声的设备使用,如助听器及低噪声要求的

3，            低功耗型，要求工作电流〈50μA的,主要为电池供电的设备使用

4，            高灵敏度的，带有IC放大功能的

5，            数字化，传声器内部带有A/D转换功能的数字化输出

6，            二氧化硅传声器，可以耐波峰焊和回流焊的传声器 ,目前所有的MIC都不能耐高温的,因此都不能耐波峰焊和回流焊,主要是MIC内部含有塑料膜不耐高温.