人耳的听觉范围：20Hz~20kHz 不同的人在不同的状态下能听到的范围不同，测试过程中经常会读取1kHz的频响值作为参考数值。

二、声学相关参数

三、扬声器(喇叭)

四、传声器(麦克风)

五、音频测试

音频系统是一个复杂的系统，需要从产品定位，电路设计，结构设计，物料选型，喇叭选型，音腔设计等多方面综合考虑。初步设计完成之后，还需要使用专业设备或者到专业的音频实验室进行音频相关的测试：基础声电测试；声质量测试；声功率测试；产品振动测试以及噪声测试等。

根据产品定位以及测试结果反复调整软硬件设计及参数，最终达到一个相对满意的声学效果。这是一个复杂而漫长的过程。

六、分析框架

一个音频系统的总体失真，可以看作是三个部分的失真叠加而成的。这三个部分一般可以划分为：电路失真、结构失真和喇叭失真。

七、 解决方案

找到每个部分的问题之后，就需要针对每个部分的失真问题进行优化和调整。

MEMS麦克风工作原理

像ECM一样，MEMS麦克风也是电容麦克风。MEMS麦克风包含一个灵活悬浮的薄膜，它可在一个固定背板之上自由移动，所有元件均在一个硅晶圆上制造。该结构形成一个可变电容，固定电荷施加于薄膜与背板之间。传入的声压波通过背板中的孔，引起薄膜运动，其运动量与压缩和稀疏波的幅度成比例。这种运动改变薄膜与背板之间的距离，进而改变电容，如图1所示。在电荷恒定的情况下，此电容变化转换为电信号。

Figure 1图1. MEMS麦克风的电容随声波的幅度而变化

在硅晶圆上制造麦克风传感器元件的工艺与其他集成电路(IC)的制造工艺相似。与ECM制造技术不同，硅制造工艺非常精密且高度可重复。一个晶圆上制造的所有MEMS麦克风元件都具有相同的性能，不仅如此，而且在该产品的多年生命周期中，不同晶圆上的每一个元件也都具有相同的性能。

硅制造是在严格控制的环境中，利用一系列沉积和蚀刻工艺，产生金属和多晶硅的形状集 合以形成MEMS麦克风。生产MEMS麦克风涉及到的几何结构是微米(μm)级。声波所经过的背板中的孔直径可以小于10 μm，薄膜厚度可以是1 μm左右。薄膜与背板之间的间隙仅有数微米。图2所示为典型MEMS麦克风传感器元件的SEM图像，从顶部（薄膜）观看。图3所示为该麦克风元件中部的截面图。在该设计中，声波通过元件底部的空腔进入麦克风，并穿过背板孔以激励薄膜。

Figure 2图2. MEMS麦克风的SEM图像

Figure 3图3. MEMS麦克风的横截面

由于几何结构在制造工艺中受到严格控制，因此不同麦克风的实测性能具有高度可重复性。利用MEMS技术构建麦克风的另一个优势是薄膜极小，因此其质量非常小，相比于薄膜质量大得多的ECM，MEMS麦克风不易受振动影响。

发展、可重复性和稳定性

MEMS麦克风已发展到很高的水平，它已成为很多要求小尺寸和高性能的音频捕捉应用的默认选择，但大部分商用级麦克风并不适合助听器行业，因为后者要求小得多的器件、更低的功耗、更好的噪声性能以及更高的可靠性、环境稳定性和器件间可重复性。MEMS麦克风技术现在已经能够满足上述所有要求：超小型封装、极低功耗以及极低的等效输入噪声。

硅制造工艺的严格控制措施令MEMS麦克风的稳定性和器件间性能差异显著优于ECM。图4所示为相同型号的数个MEMS麦克风的归一化频率响应，图5所示为不同ECM的归一化频率响应。各MEMS麦克风的频率响应几乎一致，而ECM的频率响应则显示出相当大的器件间差异，尤其是在高频和低频时。

Figure 4图4. 数个MEMS麦克风的频率响应

Figure 5图5. 三组ECM麦克风的频率响应

MEMS麦克风还表现出卓越的宽温度范围稳定性。图6所示为环境温度在–40°C至+85°C之间改变时灵敏度的变化。黑线显示：在MEMS麦克风的温度范围内，灵敏度变化小于0.5 dB；而ECM则表现出最多8 dB的变化。

Figure 6图6. 对振动的灵敏度与温度的关系：MEMS与ECM

相比于ECM，MEMS麦克风设计的电源抑制性能显著提高，典型电源抑制比(PSRR)优于−50 dB。在ECM上，输出信号和偏置电压（电源）共用一个引脚，电源上的任何纹波都会直接出现在输出信号上。MEMS麦克风优异的PSRR为音频电路设计提供的自由度是ECM无法比拟的。器件数量和系统成本得以降低。

在助听器之类电池供电的微型应用中，每毫瓦功耗都至关重要。当助听器正在工作时，麦克风无法通过周期供电来节省功耗。因此，麦克风的工作功耗极为重要。采用典型的锌空气电池电压(0.9 V–1.4 V)供电时，助听器所用典型ECM麦克风的功耗为35 μA。而在相同电压下，助听器所用MEMS麦克风的功耗可以降至一半，使得助听器装一次电池可以使用更长时间。

最新一代MEMS麦克风拥有助听器行业要求的出色噪声和功耗性能。ADI公司利用20多年的MEMS技术经验来打造可用于助听器市场的高性能麦克风。典型全向MEMS麦克风的等效输入噪声(EIN)特性为27.5 dB SPL（A加权、8 kHz带宽），适合助听应用。⅓倍频程EIN噪声性能通常用于指定助听器用麦克风，在低频时非常出色，如图7所示。实现如此高的噪声性能只需17 μA功耗（采用典型助听器电池电压）。麦克风提供微型封装，总体积小于7.5 mm3，如图8所示。

Figure 7图7. MEMS麦克风的⅓倍频程噪声

Figure 8图8. 助听器用全向MEMS麦克风 a) 仰视图；b) 俯视图；c) 便于手工焊接的封装俯视图

结论

新型高性能、低功耗MEMS麦克风证明它将是适用于助听器的下一代麦克风技术。MEMS麦克风在性能上可与许多助听器ECM相竞争，并在很多方面超过ECM技术，例如可重复性、稳定性、尺寸、可制造性和功耗等。MEMS麦克风是助听器的未来，而未来已经到来。

灵敏度

麦克风的灵敏度是指其输出端对于给定标准声学输入的电气响应。用于麦克风灵敏度测量的标准参考输入信号为94 dB声压级（SPL）或1帕（Pa，衡量压力的单位）的1 kHz正弦波。对于固定的声学输入，灵敏度值较高的麦克风的输出水平高于灵敏度值较低的麦克风。麦克风灵敏度（用dB表示）通常是负值，因此，灵敏度越高，其绝对值越小。

$dBSPL=20\times log(P/P_o),P_o=20uPa为听觉阈值，为参考声压$

使用1Pa/1kHz正弦波测试时，上式为$20\times log(1/20u)=20\times log(50000)=20\times 4.7=94$，表示1Pa的声压级为94dBSPL。

务必注意麦克风灵敏度规格的表示单位。如果两个麦克风的灵敏度不是采用同一单位来规定，则直接比较灵敏度值是不恰当的。模拟麦克风的灵敏度通常用dBV来规定，即相对于1.0 V rms的dB数。数字麦克风的灵敏度通常用dBFS来规定，即相对于满量程数字输出（FS）的dB数。对于数字麦克风，满量程信号是指麦克风能够输出的最高信号水平；对于ADI公司MEMS麦克风，该水平为120 dB SPL。有关该信号水平的更完整描述，请参见“最大声学输入”部分。

灵敏度指输入压力与电气输出（电压或数字字）的比值，即输入1Pa（94dB）的声压时，MIC的输出电压（dBV），相当于单位声压强度下所产生的电信号强度。对于模拟麦克风，灵敏度通常用mV/Pa来衡量，其结果可通过下式转换为dB值：

$Sensitivity_{dBV} = 20 \times log_{10}(\frac{Sensitivity_{mV/Pa}}{Output_{REF}})$

其中OutputREF为1V/Pa （1000 mV/Pa），表示参考输出比。

对于数字麦克风，灵敏度表示为94 dB SPL输入所产生的输出占满量程输出的百分比。数字麦克风的换算公式为：

$Sensitivity_{dBFS} = 20 \times log_{10}(\frac{Sensitivity_{%FS}}{Output_{REF}})$

其中OutputREF为满量程数字输出水平（1.0）。

较高的灵敏度并不总是意味着麦克风的性能更佳。麦克风的灵敏度越高，则它在典型条件（如交谈等）下的输出水平与最大输出水平之间的裕量通常也越小。在近场（近距离谈话）应用中，高灵敏度的麦克风可能更容易引起失真，这种失真常常会降低麦克风的整体动态范围。

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70Hz和1KHz的灵敏度.

方向性

方向性描述麦克风的灵敏度随声源空间位置的改变而变化的模式。ADI公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。图1所示为麦克风响应的2轴极坐标图。无论麦克风的收音孔位于x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。

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图1. 全向麦克风响应图

将全向麦克风集成到手机等较大的机壳中后，系统的方向响应可能不是全向的。对于系统设计人员，与定向响应的麦克风相比，利用全向麦克风能够更灵活地设计系统对声学输入的响应。

多个全向麦克风可以组成阵列来产生各种不同的方向模式，以及用于波束成形应用。

信噪比（SNR）

信噪比（SNR）表示参考信号与麦克风输出的噪声水平的比值。这种测量包括麦克风元件和MEMS麦克风封装中集成的ASIC二者所贡献的噪声。SNR为噪声水平与标准1 kHz、94 dB SPL参考信号的dB差。

要计算SNR，须在安静、消声环境下测量麦克风的噪声输出。该参数通常表示为20 kHz带宽内的A加权值（dBA），这意味着它包括一个与人耳对不同频率声音的灵敏度相对应的校正系数。当比较不同麦克风的SNR时，必须确保它们采用相同的加权方式和带宽；在较窄带宽下测得的SNR优于在整个20 kHz带宽下测得的SNR。

动态范围

麦克风的动态范围衡量麦克风能够做出线性响应的最大SPL与最小SPL之差，它不同于SNR（相比之下，音频ADC或DAC的动态范围与SNR通常是等同的）。

麦克风的SNR衡量噪底与94 dB SPL的参考水平之差，但在该参考水平以上，麦克风仍然有相当大的有用信号响应范围。麦克风能够对94 dB SPL至最高120 dB SPL的声学输入信号做出线性响应。因此，MEMS麦克风的动态范围等于其SNR + 26 dB，其中26 dB = 120 dB-94 dB。例如，ADMP404的SNR为62 dB，而动态范围为88 dB。

图2显示了声学输入（用dB SPL衡量）与麦克风电压输出（用dBV衡量）的关系。动态范围和SNR显示于这两个刻度轴之间，以供参考。图2利用-38 dBV灵敏度和62 dB SNR的ADMP404来显示这些关系。

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图2. 模拟麦克风的dB SPL输入与dBV输出的关系

图3显示了数字麦克风的dB SPL输入与dBFS输出之间的类似关系。注意，在此图中，120 dB SPL的最大声学输入直接映射到0 dBFS输出信号。只要最大声学输入对应0 dBFS并且设置为120 dB SPL，则数字麦克风始终具有-26 dB的灵敏度。这是由灵敏度的定义（在94 dB SPL下测量）所决定的，而不是可以通过改变麦克风ASIC的增益进行调整的设计参数。

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图3. 数字麦克风的dB SPL输入与dBFS输出的关系

等效输入噪声（EIN）

等效输入噪声（EIN）是将麦克风的输出噪声水平（SPL）表示为一个施加于麦克风输入端的理论外部噪声源。低于EIN水平的输入（SPL）在麦克风的噪底以下，并且在麦克风能够产生输出的信号动态范围以外。EIN可以从动态范围或SNR参数导出，如下式所示：

EIN = 最大声学输入-动态范围

EIN = 94 dB-SNR

对于一个具有62 dB SNR和120 dB最大声学输入的麦克风，其EIN为32 dB SPL，这大约是在安静的图书馆中5米开外的轻声低语所产生的SPL。图2和图3显示了麦克风的EIN。

频率响应

麦克风的频率响应描述其在整个频谱上的输出水平。频率上限和下限用麦克风响应比1 kHz的参考输出水平低3 dB时的频率点来描述。1 kHz的参考水平通常归一化为0 dB。在这些条件下，ADI公司的MEMS麦克风通常具有统一的100 Hz至15 kHz频率响应。

频率响应特性还包括通带内偏离平坦响应的限值。这些值表示为±x dB，说明-3 dB点之间输出信号与标称0 dB电平的最大偏差。

对于ADI公司的MEMS麦克风，低频-3 dB点以下的低频滚降为一阶（6 dB/8倍频程或20 dB/10倍频程），高频-3 dB点以上的高频滚降为二阶（-12 dB/8倍频程或-40 dB/10倍频程）。

MEMS麦克风数据手册用两幅图来显示此频率响应：一幅图显示频率响应模板，另一个幅图显示典型实测频率响应。频率响应模板图显示整个频率范围内麦克风输出的上限和下限，麦克风输出保证位于此模板范围内。典型频率响应图显示麦克风在整个频段内的实际响应。图4和图5的示例为选自INMP510数据手册的两幅图。

图4. 频率响应模板

图5. 典型频率响应（实测）

频率响应较宽且平坦的麦克风有助于系统设计实现自然、清晰的声音。

总谐波失真（THD）

总谐波失真（THD）衡量在给定纯单音输入信号下输出信号的失真水平，用百分比表示。此百分比为基频以上所有谐波频率的功率之和与基频信号音功率的比值。$THD=\frac{\sum_{x=1}^{S}Power(f_{harmonic_x}) }{Power(f_{fundamental})}$ THD值越高，说明麦克风输出中存在的谐波水平越高。MEMS麦克风的THD利用基波的前五次谐波计算。

此测试的输入信号通常为105 dB SPL，比94 dB SPL参考高11 dB。与其它参数相比，THD在较高的输入SPL下测量，这是因为随着声学输入信号水平提高，THD测量结果通常也会提高。根据经验，输入水平每提高10 dB，THD会提高3倍。因此，如果在105 dB SPL时THD小于3%，则在95 dB SPL时THD将小于1%。

切勿将此参数与总谐波失真加噪声（THD + N）混为一谈，后者不仅衡量谐波水平，而且包括输出中的所有其它噪声贡献。

电源抑制比（PSRR）

麦克风的电源抑制比（PSRR）衡量其抑制电源引脚上的噪声，使之不影响信号输出的能力。PSRR通过将一个217 Hz、100 mV峰峰值正弦波施加于麦克风的VDD引脚来测量。PSRR测量将给出从麦克风的输出来看，此输入信号衰减了多少dB。此参数之所以使用217 Hz频率，是因为在GSM电话应用中，217 Hz开关频率通常是电源的一个主要噪声源。

MEMS麦克风的数据手册也会显示100 Hz至10 kHz频率范围内的PSRR。这些麦克风具有出色的低频噪声抑制性能（模拟麦克风小于-70 dBV，数字麦克风小于-80 dBFS）。如图6（选自ADMP404数据手册）所示，PSRR在高频时提高到略低于-50 dB的水平。

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图6. 典型电源抑制比与频率的关系

最大声学输入

最大声学输入指的是麦克风能够承受的最高声压级（SPL）。高于此参数的SPL会导致输出信号发生严重的非线性失真。最大声学输入用峰值SPL来规定，而不是均方根值。

一般为THD为10%时的SPL。高于AOP时会出现削波。比如INMP411在133dB SPL时临界削波。

在THD+N中位于10%位置为133dB SPL。