MEMS麦克风的声学设计
作者:yobo体育全站app 发布时间:2021-11-15 18:45
本文摘要:前言 以高性能和小尺寸为特色的MEMS麦克风尤其限于于平板电脑、笔记本电脑、智能手机等消费电子产品。不过,这些产品的麦克风声孔一般来说隐蔽在产品内部,因此,设备厂商必需在外界与麦克风之间设计一个声音路径,以便将声音信号传送往MEMS麦克风振膜。这条声音路径的设计对系统总体性能的影响相当大。 右图是一个典型的平板电脑的麦克风声音路径: 图1典型应用于示例 外界与麦克风振膜之间的声音路径由产品外壳、声学密封圈、印刷电路板和麦克风构成,这条声音路径起着波导起到,建构系统总体频响。

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前言  以高性能和小尺寸为特色的MEMS麦克风尤其限于于平板电脑、笔记本电脑、智能手机等消费电子产品。不过,这些产品的麦克风声孔一般来说隐蔽在产品内部,因此,设备厂商必需在外界与麦克风之间设计一个声音路径,以便将声音信号传送往MEMS麦克风振膜。这条声音路径的设计对系统总体性能的影响相当大。  右图是一个典型的平板电脑的麦克风声音路径:  图1典型应用于示例  外界与麦克风振膜之间的声音路径由产品外壳、声学密封圈、印刷电路板和麦克风构成,这条声音路径起着波导起到,建构系统总体频响。

此外,声音路径材质的声阻抗也不会影响频响。若想精确预测声学设计的性能如何,必须创建声音路径模型,用于COMSOL等专业级建模工具对声音路径的频响特性展开建模实验。然而,本文为读者获取一些优化麦克风声音路径的基本原则。

  Helmholtz谐振  狭小的传声孔与空心腔室连接包含的结构在受到声波鼓舞时会产生声学谐振。当我们对着空瓶的瓶嘴上方吹气时,就不会再次发生这种谐振现象。这种结构叫作Helmholtz谐振器,是以该现象的发明者HermannvonHelmholtz命名的。

Helmholtz利用谐振频率有所不同的谐振器辨识音乐等简单声音内的频率成份。  Helmholtz谐振的中心频率是由下面的程式确认:  其中c是空气速度;AH是声孔的横截面乘积;LH是声孔的长度;VC是空腔的容积。该方程式假设谐振器是一个空腔和一条横截面平均分配的管道连接构成的非常简单结构。如果麦克风的声音路径的横截面乘积和材质有所不同,则叙述声音路径的声波特性的方程式要简单很多。

因此,必需对整个声音路径展开声波特性建模实验才能准确地预测声学设计的总体性能。  在本文内,通过转变麦克风密封圈的厚度和内径、产品外壳声孔直径、印刷电路板声孔直径、声音路径刀柄和路径材质的声阻抗,我们对有所不同的声音路径展开了频响建模实验。

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实验结果让设计人员需要预先掌控这些参数变化对声音路径总体性能的影响程度。  麦克风的频响  MEMS麦克风较低屡屡敲是由以下主要参数要求的:传感器振膜前侧和后侧之间通风孔的尺寸;后室的容积。而MEMS麦克风低屡屡敲则是由麦克风前室和声孔产生的Helmholtz谐振要求的。  对于大多数MEMS麦克风,当麦克风的灵敏度降到低频然后再行下降到高频时,因为Helmholtz谐振的原因,频响曲线大体完全相同。

但是,有所不同的MEMS麦克在传感器设计、PCB尺寸和结构方面差异相当大,所以总体频响尤其是低屡屡敲的差异相当大。意法半导体的多数麦克风将传感器必要置放声孔上面,以最大限度地减少前室容积,保证出色的高频号召。  图2意法半导体MP34DT01上置声孔麦克风及其声室的X光影像  下面的建模实验结果叙述了意法半导体MP34DB01MEMS麦克风本身的频响,该建模工具在声音路径模型的每个线性点上解法该方程式,在建模完结后,将在所有简单点收集的数据绘制图形。

  图3MP34DB01和MP34DT01MEMS麦克风的声室  MP34DB01麦克风建模结果证明,频响曲线在高频部分十分平缓,在20kHz时,典型灵敏度上升幅度约+3dB,这是因为Helmholtz谐振的中心频率很高。该建模结果十分相似MP34DB01的实际测量频响。


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