驻极体电容式麦克风完全指南

在音频技术方面，驻极体电容式麦克风 (ECM) 是一种功能强大的经典声音采集解决方案，性能可靠，适应性强，应用范围广。MEMS 麦克风 设计易于集成，外形紧凑，备受用户青睐，而 ECM 则因丰富的安装配置、广泛的指向性模式和声学多功能性而在电子设计中占有着重要地位。

本文将研究 ECM 工作原理，探讨其内部电路和指向响应能力，从用于捕捉宽广环境声音的全向模式，到用于集中声音隔离的单向配置。此外，还将探讨灵敏度、信噪比 (SNR) 和频率响应等关键性能指标，以期指导正确的元件选型。

驻极体电容式麦克风的基础知识

驻极体电容式麦克风（ECM，也称为电容式麦克风）通过驻极体工作。驻极体是一种永久带电或极化的铁电材料。驻极体的高电阻和化学稳定性可确保嵌入的电荷在数百年内保持完好无损，不会出现明显的衰变。在英文里，“驻极体 (electret)”一词来源于“静电 (electrostatic)”和“磁体 (magnet)”的组合，反映了静电荷嵌入材料的过程。这是通过排列驻极体中的静电荷实现的，类似于通过磁畴排列产生磁铁的方式。

这一固有特性在麦克风设计时具有显著优势。传统的电容式麦克风需要外部极化电压才能工作，而驻极体的内置静电荷则没有这项要求。这种简化降低了电路设计的复杂性，使 ECM 能够在紧凑的低功耗应用中高效工作，成为各种音频系统的理想选择。

驻极体电容器麦克风的工作原理是将振膜作为电容器的一块极板，背板作为另一快极板。当声波引起振膜振动时，振膜和背板之间的距离会发生变化，从而导致电容变化。这些变化由电容方程决定：

C = Q / V

其中：

• Q = 电荷，以库仑为单位（驻极体内嵌电荷，因此电荷量保持不变）
• C = 电容，以法拉为单位
• V = 电位差，以伏特为单位

由于振膜运动导致电容 (C) 发生变化，电容器上的电压 (V) 会随之发生反比例变化，产生与声音振动相对应的电信号。

然后，这一变化的电压被馈送到麦克风内的场效应晶体管 (FET) 进行放大，以便更好地传输。输出级上的直流阻断电容器可消除任何不必要的直流偏移，从而确保输出纯净的音频信号。为在各种电子应用中捕捉声音时，这种简单、有效的设计使 ECM 成为可靠的选择。

图 1：ECM 的工作原理。（图片来源：Same Sky）

电容式驻极体麦克风的典型结构包括以下几个关键部件：

• 无纺布：防止灰尘，同时允许声音通过
• 外壳：封装和保护内部零件
• 极性环 (polar ring)：加强用于振膜的驻极体材料
• 振膜：对声音做出响应而振动，进而改变电容
• 垫片：用于保持振膜与背板间的距离
• 背板：构成电容器的固定电极
• 底座：提供结构支撑
• 铜环：确保导电性和电气连接
• PCB：用于容纳 FET 和其他信号放大电路

ECM 的拆解和组装结构如下图所示。

图 2：ECM 的零件分解图。（图片来源：Same Sky）

图 3：ECM 的装配图。（图片来源：Same Sky）

ECM 的指向性或极性模式

驻极体电容式麦克风有不同的指向性或极性模式，决定了如何捕捉来自不同方向的声音。指向性是一个关键规格，应根据应用和使用要求选择。最常见的 ECM 指向模式包括全向（图 4）、单向（图 5）和降噪（图 6）。

图 4：全向极性模式。（图片来源：Same Sky）

全向性麦克风可捕捉来自各个方向的声音，非常适合录制群声或电话会议等应用。常见的拾音模式如图所示，0° 代表麦克风前段，声强从 0° 到 360° 呈放射状分布。这种麦克风用途广泛，但有缺点，即无法区分所需的声音和环境噪声，往往会拾取和放大环境声音。

图 5：单向极性模式。（图片来源：Same Sky）

单向麦克风主要从一个方向捕捉声音，从而减少不必要的背景噪声，如说话声、键盘咔嗒声或纸张沙沙声，因此成为人声或语音应用的理想选择。在这些应用中，隔离所需声源至关重要。最常见的单向模式如图 5 所示，具有宽拾音区域，在离轴 180° 处具有最大抑制能力。

图 6：降噪极性模式。(图片来源：Same Sky）

降噪麦克风或双向麦克风用来过滤环境噪声，同时聚焦于所需的声源，因此非常适合嘈杂的环境。这种麦克风至少有两个声音端口：一个朝向所需的声音，另一个朝向较远的噪声。近距离处的声音会在振膜上产生更大的压力梯度，从而更好地捕捉预期的音频。近场效应经过调整，可确保靠近前端口的声音具有平坦频率响应，而来自其他角度的声音则会出现明显的中音和低音滚降。常见应用包括呼叫中心、直升机耳机和赛车手通信系统等。

ECM 的关键规格

除 ECM 的指向性外，在选择组件时还需注意以下几个参数：

• 灵敏度降低：麦克风供电电压降低时的增益损失。
• 灵敏度：衡量麦克风的声音检测能力。具有高灵敏度，麦克风可以捕捉到较低的声音或较远的声音，放大程度较小并能降低噪音。这一特性有助于确定麦克风是否适合音乐录音等应用或在嘈杂环境中使用。
• 信噪比 (SNR)：表示所需的声音（如语音或音乐）与麦克风捕捉到的背景噪声之比，表示整体音频的清晰度。
• 安装方式：通过 PCB 引脚、带或不带连接器的导线引线以及端子来连接，是最常见的 ECM 安装方式。端子安装可进一步定义为用于回流焊接的表面贴装或用于手工焊接的焊盘方式。

结语

驻极体电容式麦克风具有精确的声音捕捉和多样化指向性，在现代音频技术中仍然是不可或缺的选择。这种麦克风性能可靠，适应性强，成为各种各样应用中必不可少的声音部件，了解其工作和主要规格有助于用户根据自己的需要选择合适的麦克风。探索 Same Sky 的全系列麦克风和音频设计服务，以寻求量身定制的解决方案。