基于駐極體麥克風的音頻相關問題研究

摘 要：本文聚焦于駐極體麥克風的應用研究，深入剖析駐極體麥克風的結構組成和工作原理。針對實際應用中普遍存在的電流聲、“POP”噪聲以及錄音音量不足等問題，進行了深入分析。通過理論分析、試驗測量與仿真驗證相結合的方法探索問題成因，提出針對性的解決方案，優(yōu)化駐極體麥克風的性能和效果。本文不僅豐富了駐極體麥克風的理論體系，還在實際應用中提供了有益的參考與指導，對相關工程應用具有一定借鑒意義，有助于推動駐極體麥克風技術的進一步發(fā)展與完善。

關鍵詞：駐極體；音頻技術；電流聲；“POP”噪聲；錄音音量

中圖分類號：TN 64" " " 文獻標志碼：A

麥克風是一種聲電轉化器件，在現(xiàn)代通信、錄音和演講等領域中具有重要左右。根據(jù)工作原理的不同，麥克風可分為動圈式、壓電式、炭精粒式和駐極體式等類型。而目前市面上絕大多數(shù)消費類麥克風都是駐極體式的。

駐極體式麥克風利用了電容變化的原理，將聲音轉化為電信號，具有結構簡單、價格低廉的優(yōu)點，因此在消費類產品中具有廣泛應用。然而在使用過程中，駐極體麥克風也存在一些問題，需要引起重視，例如電流聲、“POP”噪聲和錄音音量偏小等問題。本文從駐極體麥克風的結構和工作原理出發(fā)，對這些問題進行了深入分析，并提出了有效解決方法。對于電流聲問題，提出了優(yōu)化電網(wǎng)接地環(huán)境和采用對稱性線纜2種解決方案；對于“POP”噪聲問題，其關鍵是精確選擇增益電阻、輸入電容和旁路電容；對于錄音音量不足問題，可以通過增大偏置電壓或負載電阻進行改進。

綜上所述，雖然駐極體麥克風在價格和結構上具有一定優(yōu)勢，但在實際應用中也存在一些制約因素。為了進一步提升麥克風的性能和穩(wěn)定性，需要對這些問題進行深入研究和改進。

1 駐極體麥克風的結構和原理

駐極體麥克風是一種特殊的電容式麥克風，具有聲電轉換和阻抗變換的功能。其基本結構包括單面涂有金屬的駐極體薄膜和上面有小孔的金屬電極（背電極）。駐極體薄膜與背電極間留有微小的空氣隙，形成一個電容器結構，用于聲音信號轉換。

由于駐極體薄膜上分布自由電荷，當聲波引起駐極體薄膜振動時，電容兩極板間的距離發(fā)生變化，導致電容的容量發(fā)生變化，而駐極體上的電荷保持恒定。根據(jù)電容、電壓和電量三者的關系式Q=CU，在電荷Q恒定的情況下，電容值C與電容兩端電壓U成反比關系。因此，C的變化會引起U的變化，即轉化為變化的電信號，實現(xiàn)聲音到電信號的轉換。

駐極體膜片與金屬極板間的電容量較低，通常僅為數(shù)十皮法。電容阻抗的計算法則決定了其輸出阻抗值相當高，超過幾十兆歐。為實現(xiàn)與音頻放大器的阻抗匹配，本文引入一個結型場效應晶體管（FET）。然而FET是一種有源器件，在放大狀態(tài)下工作需要特定的偏置電壓和電流支持。因此，在駐極體電容式麥克風運作過程中，需要為其額外提供直流工作電壓以滿足其工作要求。

常見的駐極體麥克風等效原理圖如圖1所示（虛線框部分為麥克風內部結構示意圖，其余部分為相應的主板電路）。

從圖1可知，駐極體麥克風主要由FET共源放大電路構成。當駐極體膜片受聲壓作用改變電容C，從而在電容上產生微小電壓變化ΔV時，相當于FET的G和S間加了一個ΔV，進而FET的漏極電流就產生一個變化量ΔID。該電流變化量通過負載RL轉化為電壓變化量ΔVD，最后通過Co隔直后輸出。由于ΔVD=ΔID·RL，因此RL的大小會影響輸出電壓幅度，即影響靈敏度[1-2]。

2 相關問題分析

2.1 電流聲問題

采用駐極體麥克風進行錄音時，經(jīng)常能聽到“嗡嗡”的背景噪聲。分析錄音音頻分可發(fā)現(xiàn)噪聲頻率為50Hz正弦波，與電網(wǎng)的工頻吻合，可以判斷為該噪聲就是來自電網(wǎng)工頻的電流聲。

2.1.1 電流聲來源分析

電流聲來源示意圖如圖2所示。在設備電源接地不良的情況下，在Y電容或分布電容的作用下，設備GND上有來自110V/50Hz的電壓干擾。相對于大地，系統(tǒng)中任何一個信號或電源都受此干擾。

該電壓干擾是共模噪聲，需要向大地回流。無地線時，一部分電流通過麥克風和大地間的分布電容回流。如果麥克風采用非對稱性線纜，那么MIC信號和GND信號對大地的分布電容不同，50Hz噪聲回流時就會在二者間形成微弱的噪聲電壓，而且分布電容差異越大，噪聲也越大。該噪聲再經(jīng)過麥克風內部電路的放大，便產生明顯的“嗡嗡”的電流聲。

2.1.2 改進電流聲的方法

經(jīng)過以上分析和試驗驗證，可以從以下2方面改進電流聲問題。1）優(yōu)化電網(wǎng)接地環(huán)境，并將設備電源更換為三芯插頭，以便給工頻噪聲提供回路，使其及時導向大地，從根本上降低電流聲。2）麥克風的MIC和GND信號連接采用對稱性線纜，減少二者對地分布電容的差異，也可對電流聲產生抑制作用。

在實際測試中采取以上2種措施，電流聲得到明顯抑制，并且在不同的電網(wǎng)接地環(huán)境下和不同品牌的駐極體麥克風應用中均取得良好效果。

2.2 “POP”噪聲問題

“POP”噪聲是在音頻設備通電、斷電的瞬間以及通電穩(wěn)定后，有各種操作引起的瞬態(tài)沖擊所產生的刺耳爆破聲。這種瞬態(tài)沖擊通常表現(xiàn)為一種極窄的尖脈沖。經(jīng)傅立葉分析可知，其頻譜成分相當豐富且在頻域內的能量分布相對均衡。

要解決“POP”噪聲問題，需要降低20Hz～20kHz這一聽覺頻率范圍內的諧波分量。對大多數(shù)人來說，當信號的峰峰值電壓低于10mV時，該噪聲難以察覺。因此，設計和使用音頻設備時，應特別注意對這部分諧波分量進行有效抑制。

2.2.1 “POP”噪聲產生原因

TS4990放大器的典型電路結構如圖3所示。放大器啟動時，作為音頻放大器內部偏置電壓的濾波器，旁路電容Cb以恒定速率線性充電。只有當Cb兩端的電壓達到電源電壓的0.5倍時，放大器才能開始正常運作，此充電時間即為放大器的啟動時間。在此期間，放大器輸出端不會產生任何信號。同時，輸入電容Cin也進行充電，但因其充電回路中串聯(lián)了增益電阻Rin（通常阻值較大，達到幾十千歐），導致充電時間較長。如果Cin在啟動時間內完成充電，就不會出現(xiàn)“POP”噪聲。如果Cin充電未完成，此時旁路電容Cb已充滿電，放大器正常工作，就會將Cin未充完的電信號放大至輸出端，從而產生“POP”噪聲電壓。

2.2.2 降低“POP”噪聲方法

為了有效消除“POP”噪聲，需要精確選擇Rin、Cin和Cb的數(shù)值。具體而言，需要確保Cin在Cb之前完成充電，即Cin的時間常數(shù)應顯著小于Cb對應的啟動時間。此外，Cin與輸入電阻Rin共同構成了一個高通濾波器，其截止頻率通常設置為100Hz或更高。然而，在追求高質量音頻的手機應用中，為了捕捉更低頻的聲音，該截止頻率可能會調整至幾十赫茲以下。因此，在設計過程中，必須綜合考慮放大器的增益需求和音頻信號所需的最低輸入頻率，以確保濾波器設計的合理性，從而有效降低“POP”噪聲。

2.3 錄音音量不足問題

實際應用過程中還存在錄音聲音偏小的問題。如果通過增加聲卡內部放大倍數(shù)的方式增大錄音音量，就會同時增大系統(tǒng)底噪和背景噪聲，效果不理想。本文經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該問題與麥克風靈敏度有關，可以采用以下措施進行改進。

2.3.1 增大偏置電壓

駐極體麥克內部FET的放大作用受跨導gm影響，gm反映了FET電壓電流轉移特性。增大偏置電壓改變了FET靜態(tài)特性，gm也隨之改變。對于駐極體麥克風，F(xiàn)ET構成了共源電路，增大偏置電壓，一定程度上也增大了gm，從而加強了FET的放大作用。FET共源電路不同偏置電壓下的輸出變化見表1。根據(jù)表1可知，偏置電壓增大，輸出也隨之增大，但偏置電壓＞2.5V后增幅不明顯。

2.3.2 增大負載電阻RL

由于電壓增益（即靈敏度）=RL·gm，因此RL越大，靈敏度也越高。負載電阻對靈敏度的影響如圖4[3]所示。在圖4中，RL從2.2kΩ增至4.7kΩ，輸出電壓幅度Vpp從621mV增至1.3V）。實際電路也驗證了這一點，即增大RL后，錄音音量明顯增加。

3 結論

駐極體麥克風是目前行業(yè)內常用的一種麥克風，以簡單實用、高性價比等優(yōu)勢占據(jù)了大部分消費類市場。本文從駐極體麥克風的結構和工作原理出發(fā)，分析了實際工程項目中遇到的常見問題，提出了解決方案，并結合試驗和仿真等方法驗證了方案的正確性和有效性，對其他相關工程實踐具有一定的指導意義和參考價值。

參考文獻

[1]陳新.駐極體電容話筒的原理及應用[J].醫(yī)學視聽教育，1995，9（4）：236-245.

[2]童詩白，華成英，葉朝輝.模擬電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[3]聶典，李北雁，聶夢晨，等.Multisim12仿真在電子電路設計中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.