麦克风和扬声器选型介绍

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在AI语音交互产品设计中，我们无法绕开的两种元件就是麦克风（MIC）和扬声器（SPK），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

8 I/ i6 z! G8 y! ~7 d2 K麦克风，学名传声器，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，但灵敏度高，体积小，结构简单，成本低、适用与语言拾音。
: y" W2 E+ v& U5 Z5 r6 _1.驻极体话筒的工作原理
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( l1 Y! ^7 r; p3 y$ R+ p    关键元件：驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。

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0 O& ~* s2 e$ Y6 L  @( p) A3 e驻极体麦克风的基本结构如上图所示，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，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，两极板的间距就会发生变化，电容的容量发生变化，又因为驻极体上的电荷数量始终不变，由Q=CU，得C发生变化，电极之间电压U就会发生变化，再通过阻抗变换器将电信号放大，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，当向麦克风施加一个声压为1帕（Pa) 或 1微巴（unbar) 的声信号时麦克风的开路输出（以毫伏为单位），即为该麦克风的灵敏度。1微巴（ubar)约相当于人们正常音量讲话，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，单位为分贝（dB).公式为：灵敏度级=20log(灵敏度/参考灵敏度)，参考灵敏度=0db=1V/Pa。

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    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，又叫声过载点。常见的数字麦克风最大声压级为120dB SPL，低灵敏度的可以达到130dB SPL。由此采集的声音信号过大，会导致振膜发生不可逆形变，导致麦克风的损坏。


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    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（本底噪声）之比。
    例如，某数字麦克风本底噪声级为30dB SPL，那么其信噪比为 94dB-30dB=64dB。


    最大输入电压
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# L2 ^/ q% Z+ ]3 ^( Y; U" d" H    指向性:指向性特性又称方向性，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：全向性、单指向、双指向。

) e* r' \6 H! z指向性图案：
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, G+ x6 k/ D( A+ h. T  U    麦克风选型要点:
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4 R% _3 O8 H+ }2 W9 k4 @1）灵敏度：咪头的灵敏度选择需要考虑模拟增益和数字增益，模拟增益越大的话，噪声会大，用在涂鸦的VWXR2-ES在线语音模组，我们选用灵敏度-40dB~-30dB的咪头。

, {. Q$ N8 w$ O& s. d# Y2 k; _6 ]7 n2）信噪比：信噪比选择相对较大的。
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) X, E0 C: G+ g9 G5 r6 v$ ?. W: w, D1 T3）最大输入电压：要大于模组对咪头的供电电压2.8V。
' u3 U- E0 t6 j; t  N2 V+ i二、扬声器
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4 N, Q, t: l2 _3 Q扬声器，又称喇叭，是一种把电信号转换成声音信号的器件，位于电声系统的末端，扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又是一个最重要的部件。
1.扬声器的种类
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    按驱动方式：电动式（动圈式）、电磁式(舌簧式)、静电式（电容式）、压电式（晶体式），离子喇叭，；
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( t* G  I8 M4 T2 |! o# E1 m    按重放频带：低音、中音、高音、全频扬声器等；

    按振膜形态：锥形、球顶型；
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$ k' F. ~% u3 j8 t    动圈式扬声器

    应用电动原理的电声换能器件，应用最多、最广泛。
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    工作方式：通过交变电流信号的通电导体线圈在磁场中运动，线圈和音圈固定在一起，使与音圈振动，并与音圈相连的振膜振动，从而牵扯连纸盆振动，再通过空气介质，将声波传送出去。
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    优点：
, r3 g, s3 e" |' B( Z$ b( `    1）结构简单、生产容易，性价比高。
    2）性能优良，在中频段可以获得均匀的频率响应。
1 O: R2 U* K  F- H" l    3）设计原理不变，主要是工艺、材料不断改进，性能大幅提升。


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6 ^' n, @0 W9 K) j$ ]' {    扬声器的参数

1） 额定阻抗：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，，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）额定功率：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，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，要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。

3）频率响应：给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，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，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，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，这样就能把全部音频均匀地重放出来，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。

6 }4 D, q5 j& d: Q" _5 h4）谐振频率：扬声器从低音域开始振动时，振动板最强烈振动所在点对应的频率（测量扬声器单元阻抗特性时，阻抗曲线上阻抗值第一次达到最大值时（即Xmax）所对应的频率称为该扬声器单元的谐振频率或共振频率，简称F0；
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1 a5 t: X6 z; T& W3 V% ]. O反应了低音的性能。是其性能的一个重要参数。该值越低，扬声器重放低音的质感和力度也越好；

5）THD：音频信号的振幅非线性引起的一种失真；当扬声器输入某一频率的正弦信号时，扬声器输出的声信号中，除了原输入信号的基波成分外，还出现了2 倍，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，这个值越小越好；失真度是重要指标，一般情况下，100Hz~1KHz失真要小于10%，1KHz以上要小于3%；
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9 F& N& v6 `: n) T! L, L2 _$ B6）SPL(声压级)：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：分贝(dB)产生的声压。
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    扬声器的选型要点
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1）用在与涂鸦的VWXR2-ES在线语音模组配合的电路
2）额定阻抗：选择4Ω/8Ω
2 B; X' r! x+ M* z$ x( e6 Z7 j3）额定功率：2~3W
' k: |4 M7 ]! D  V4）频率响应：频率曲线分布较平
总结
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这篇文档我们主要讲了驻极体麦克风与电动式扬声器，我们选型时绕不开的一些参数，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，希望能帮助到大家。

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麦克风的性能是影响语音唤醒率高低的重要因数，而喇叭的性能会影响打断唤醒率和用户的主观体验。

Crash

麦克风的主要性能评测参数：灵敏度、频率响应曲线、信噪比、总谐波失真、最大声压级、相位、指向性