麦克风设计指导与选型参考
随着语音识别技术的成熟,智能音箱类产品的火爆,越来越多的产品可以升级为语音交互产品;
下面简单介绍下此类产品的语音前端--麦克风阵列设计相关注意事项:
- 线性四麦阵列构型:
如上图所示,麦克风直线等距摆放,间距可以是20~60mm,默认推荐40mm;
间距可以是25~45mm,默认推荐35mm;
- 环形六麦阵列构型:
环形六麦阵列呈圆形布局,6个麦克风顺时针均匀分布在圆周,半径支持20~60mm,默认推荐39mm;
- 数字硅麦设计
基本选型:
接口类型:IIS数字接口
接口电压:1.8V或者3.3V
全向拾音,高灵敏度,高信噪比;
参数参考:
参数 |
条件 |
典型值 |
单位 |
Supply Voltage |
3.3/1.8 |
V |
|
Directionality |
Omni |
||
Sensitivity |
1 kHz, 94 dB SPL |
-26 |
dB FS |
Signal-to-Noise Ratio (SNR) |
65 |
dBA |
|
Total Harmonic Distortion |
105 dB SPL |
0.3 |
% |
Acoustic Overload Point |
10% THD |
116 |
dB SPL |
参考电路:
为了避免潜在的寄生效应以便达到最理想的效果,强烈建议放一个0.1uF的X7R陶瓷电容(或者更理想的电容)到电源和地管脚附近;layout时电容位置距离麦克风越近越好,相应的电源和地走线越短越好,并且同层直接与麦克风连接不要经过过孔换层连接;如下参考:
对于底部拾音的麦克风,收音孔直径典型值为0.5mm~1.0mm,麦克风的孔应该与PCB中的孔对齐;条件允许的情况下,建议PCB厚度减小,拾音孔直径加大。
- 结构设计建议
声音路径设计:
麦克风需要一条使声音通过收音孔进入封装振膜的路径。声学中所有尺寸参考都是相对于声音波长而言的,因此频率与波长的换算公式如下:
λ = c/f
c是声音在空气中传播速度,约为340m/s
f是频率(Hz)
λ是波长(m)
声音的波长与频率的关系如下所示:
结构总体要求:
- 结构外的声音能以接近自由场的方式直接到达每一个麦克风,避免掩蔽效应;
(即声源的直达声而非反射声到达每个麦克风的机会是均等的,麦克风振膜背对声源就可能会形成掩蔽效应)
- 麦克风开放空间 外表面要充分透声,不能形成声反射区,外表面可用布料等材料避免反射;
- 声音到达麦克风振膜的路径尽量短、尽量宽,路径上不要有任何空腔;
- 麦克风本身要远离干扰和振动(喇叭振动,结构振动),结构部件做好减振缓冲设计;
- 避免声音在结构、腔体内传播到麦克风;
(喇叭发出的声音不能在结构或者腔体内部泄露到麦克风,只能通过结构外的空气传播到麦克风)
单孔收音腔设计
单孔收音腔,即麦克风和硅胶垫装配后固定于面壳上,单个麦克风通过面壳上的开孔进行收音;示意图如下:
单孔收音腔设计参考实例:
小米音箱和天猫精灵
单孔收音腔设计注意事项:
- 各个麦克风之间严格独立,每个麦克风的拾音孔是其拾音的唯一通道;
- 麦克风需要硅胶垫等措施与外壳体隔绝,起到密封和降低壳体振动传声到麦克风的作用;(PCB设计时注意拾音孔与板边的距离要大于2mm以便安装硅胶垫)
- 麦克风收音路径内不要存在任何空腔,振膜和壳体内壁不要存在缝隙,如下反面示意:
4. 根据使用场景,可以在麦克风拾音孔表面增加防风、防尘、防液体渗入密封措施(比如车载空调风直吹场景);
5. 麦克风远离干扰和振动(喇叭振动、结构转动振动),避免结构振动对麦克风造成影响;对于振动有两个基本措施,一是堆叠布局时麦克风尽量远离喇叭;二是用尽量软的硅胶套、减震棉等进行密封减震缓冲;
6. 避免结构内部声音传播,建议麦克风阵列和喇叭放在不同腔体内,对腔体内的麦克和喇叭进行密封处理;
选型与设计关键参数参考:
麦克风信噪比:60~70 分近中远三场景;
麦克风灵敏度:-40(模拟) -26(数字);
频响平坦度:2 (100Hz~6KHz);
收音孔气密性:大于20dB;
麦克风一致性:相位小于10,幅度小于2dB;
麦克风间距:25~60mm之间;
间距小影响低频,间距大影响高频;叠加装配的误差率,体验上在常规噪音环境下影响唤醒率和打断率1个点左右;
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