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在AI語音互動產品設計中，我們無法繞開的兩種元件就是麥克風（MIC）和揚聲器（SPK），今天我們就探討一下駐極體麥克風和動圈式揚聲器。
一.麥克風
麥克風，學名傳聲器，也稱話筒、咪頭、微音器。是將聲音訊號轉換為電訊號的能量轉換器件。有動圈式、電容式、駐極體和矽微傳聲器。而大多數裝置採用是駐極體電容器麥克風。駐極體電容話筒頻響範圍較窄，但靈敏度高，體積小，結構簡單，成本低、適用與語言拾音。
1.駐極體話筒的工作原理
- 關鍵元件：駐極體振動膜。它是一片極薄的塑膠膜片，一面蒸發上一層純金薄膜，然後再經過高壓電場駐極後，兩面分別駐有異性電荷。
駐極體麥克風的基本結構如上圖所示，由電極、空氣隙、駐極體、金屬層組成。形成了一個以空氣隙和駐電極作為絕緣介質，以金屬層和電極作為兩個電極的電容器。當聲波引起駐極體薄膜振動時，兩極板的間距就會發生變化，電容的容量發生變化，又因為駐極體上的電荷數量始終不變，由Q=CU，得C發生變化，電極之間電壓U就會發生變化，再透過阻抗變換器將電訊號放大，來採集聲音訊號。
2.選型時要看的引數
- 靈敏度: 單位聲壓強下所能產生電壓大小的能力。靈敏度表示麥克風的聲—電轉換效率。在自由聲場中，當向麥克風施加一個聲壓為1帕（Pa) 或 1微巴（unbar) 的聲訊號時麥克風的開路輸出（以毫伏為單位），即為該麥克風的靈敏度。1微巴（ubar)約相當於人們正常音量講話，並在離嘴1米遠的地方測量所得到的聲壓。 ECM靈敏度引數一般用靈敏度級表示，單位為分貝（dB).公式為：靈敏度級=20log(靈敏度/參考靈敏度)，參考靈敏度=0db=1V/Pa。
- 最大聲壓級:麥克風在總諧波失真小於10%時所能承受的最大聲壓級，又叫聲過載點。常見的數字麥克風最大聲壓級為120dB SPL，低靈敏度的可以達到130dB SPL。由此採集的聲音訊號過大，會導致振膜發生不可逆形變，導致麥克風的損壞。
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信噪比:數字麥克風在輸入激勵為94 dB SPL下的輸出訊號幅值與輸入激勵切斷時的輸出訊號幅值（本底噪聲）之比。
例如，某數字麥克風本底噪聲級為30dB SPL，那麼其信噪比為 94dB-30dB=64dB。
- 最大輸入電壓
- 指向性:指向性特性又稱方向性，是表徵傳聲器對不同入射方向的聲訊號檢測的靈敏度。
駐極體麥克風指向性分類有：全向性、單指向、雙指向。
指向性圖案：
3.麥克風選型要點
- 靈敏度：咪頭的靈敏度選擇需要考慮模擬增益和數字增益，模擬增益越大的話，噪聲會大，用在塗鴉的VWXR2-ES線上語音模組，我們選用靈敏度-40dB~-30dB的咪頭。
- 信噪比：信噪比選擇相對較大的。
- 最大輸入電壓：要大於模組對咪頭的供電電壓2.8V。
二. 揚聲器
揚聲器，又稱喇叭，是一種把電訊號轉換成聲音訊號的器件，位於電聲系統的末端，揚聲器在音響裝置中是一個最薄弱的器件，而對於音響效果而言，它又是一個最重要的部件。
【揚聲器的種類】
- 按驅動方式：電動式（動圈式）、電磁式(舌簧式)、靜電式（電容式）、壓電式（晶體式），離子喇叭，；
- 按重放頻帶：低音、中音、高音、全頻揚聲器等；
- 按振膜形態：錐形、球頂型；
- 動圈式揚聲器：應用電動原理的電聲換能器件，應用最多、最廣泛。
動圈揚聲器的工作方式：透過交變電流訊號的通電導體線圈在磁場中運動，線圈和音圈固定在一起，使與音圈振動，並與音圈相連的振膜振動，從而牽扯連紙盆振動，再透過空氣介質，將聲波傳送出去。
優點：
1）結構簡單、生產容易，價效比高。
2）效能優良，在中頻段可以獲得均勻的頻率響應。
3）設計原理不變，主要是工藝、材料不斷改進，效能大幅提升。
【揚聲器的引數】
- 額定阻抗：揚聲器的阻抗一般和頻率有關。額定阻抗是指在確定訊號源的有效電功率時，，從揚聲器輸入端測得的阻抗。它一般是音圈直流電阻的1.2~1.5倍。一般動圈式揚聲器常見的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。阻抗越低越容易推。
- 額定功率：揚聲器的功率有標稱功率和最大功率之分。標稱功率稱額定功率、不失真功率。它是指揚聲器在額定不失真範圍內容許的最大輸入功率，在揚聲器的商標、技術說明書上標註的功率即為該功率值。最大功率是指揚聲器在某一瞬間所能承受的峰值功率。為保證揚聲器工作的可靠性，要求揚聲器的最大功率為標稱功率的2~3倍。
- 頻率響應：給一隻揚聲器加上相同電壓而不同頻率的音訊訊號時，其產生的聲壓將會產生變化。一般中音訊時產生的聲壓較大，而低音訊和高音訊時產生的聲壓較小。當聲壓下降為中音訊的某一數值時的高、低音訊率範圍，叫該揚聲器的頻率響應特性。
理想的揚聲器頻率特性應為20~20000Hz，這樣就能把全部音訊均勻地重放出來，然而這是做不到的。每一隻揚聲器只能較好地重放音訊的某一部分。
- 諧振頻率：揚聲器從低音域開始振動時，振動板最強烈振動所在點對應的頻率（測量揚聲器單元阻抗特性時，阻抗曲線上阻抗值第一次達到最大值時（即Xmax）所對應的頻率稱為該揚聲器單元的諧振頻率或共振頻率，簡稱F0；
反應了低音的效能。是其效能的一個重要引數。該值越低，揚聲器重放低音的質感和力度也越好；
- THD：音訊訊號的振幅非線性引起的一種失真；當揚聲器輸入某一頻率的正弦訊號時，揚聲器輸出的聲訊號中，除了原輸入訊號的基波成分外，還出現了2 倍，3 倍….於基波頻率的訊號。諧波失真主要是由於揚聲器的振動系統或磁路系統的非線性產生，這個值越小越好；失真度是重要指標，一般情況下，100Hz~1KHz失真要小於10%，1KHz以上要小於3%；
- SPL(聲壓級)：是指喇叭在通以額定阻抗1W的電功率的電壓時。在參考軸上與喇叭相距1m的點上。單位：分貝(dB)產生的聲壓。
【揚聲器的選型要點】
- 用在與塗鴉的VWXR2-ES線上語音模組配合的電路
- 額定阻抗：選擇4Ω/8Ω
- 額定功率：2~3W
- 頻率響應：頻率曲線分佈較平
總結
這篇文件我們主要講了駐極體麥克風與電動式揚聲器，我們選型時繞不開的一些引數，以及用在與塗鴉的VWXR2-ES線上語音模組配合的電路上的一些選型要點，希望能幫助到大家。
上期精彩回顧：MQTT協議首頁使用總結
