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每天都用手机，你对麦克风了解吗？

时间：2022-06-27 13:56:14 聚合物电容声音

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介绍: 通过实际驻极体MIC拆卸，看结构，与工作原理相比，很难想象其工作机制是可行的，尽管它已经广泛应用于周围的许多电子设备中。
关键词： 驻极体，MIC

01 驻极体话筒

一、麦克风的基本类型

麦克风也常被称为麦克风（Microphone）它是将声音转换为电信号的电气元件。An Introduction to Audio Electronics: Sound,Microphones,Speakers,and Amplifiers[1] 总结了三个麦克风的基本原理：

  • 动圈电磁感应麦克风；

  • 电容话筒；

  • 驻极体话筒；

下图显示了动态圆电磁感应麦克风结构，实际上相当于普通动态圆喇叭的反向过程。感应声压变化的薄膜驱动微线圈在磁场中移动，感应电势反映了声信号的变化。

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▲ 图1.0.

下图显示了电容麦克风的结构图。具有导电性的薄膜与相邻的背板形成平板电容。电池（偏置电压）对电容器充满一定的电荷。当薄膜在声压下振动时，它改变了与背板的距离，然后影响了电容量，最终反映在电容器两极之间的电压发生变化，包含声信号。声电信号可通过后期的高阻抗放大器输出。

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▲ 图1.0.

下图显示了驻极体麦克风结构的示意图。与前面的电容麦克风相比，它没有用于电容偏置的内部电池，而是用驻极体材料代替的背板。由于驻极体包含固定电荷，可以去除原来用于电容偏置的电源。

此外，为了降低输出信号阻抗，驻极体麦克还包括将驻极体电压变化为场效应管电阻变化的结型场效应管。

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▲ 图1.0.

二、驻极体话筒实际结构

从以上介绍可以看出，驻极体麦克风是一种电容麦克风。Cellphone acoustics[2] 中介绍了 驻极体麦克风的原因Sessler 与 West 发明

在网文 驻极体麦克风和电容麦克风的区别[3] 介绍了电容麦克风和驻极体麦克风之间的区别。电容麦克风的基本原理是使用电容器作为声信号到电信号的转换器。电容器的极板可以感知电压的变化，并发挥声音输入的作用，通常由金属聚合物膜组成。如果该高分模式由驻极体材料组成，则为驻极体麦克风。

下图显示了普通驻极体麦克风的外观和内部结构。

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▲ 图1.1.

在PRODUCT SPOTLIGHT: ELECTRET CONDENSER MICROPHONES[4] 介绍了驻极体麦克风的工作原理和使用方法。驻极体膜通过麦克风中前面的声孔感知外部声压的变化，然后产生振动，改变 与背板的距离。驻极体和背板相当于两个电极，电极之间的距离会改变电容的容量。如果两个电极之间有一定量的电荷，两个电极之间就会产生电压。电压与电容成反比。

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▲ 图1.1.

因此，通过结型场效应管，驻极体膜与背板电极之间的距离变化会在背板电极上产生变化电压（FET）阻抗转换形成输出信号。

2.驻极体材料

从历史上看，驻极体是通过熔化合适的介电材料（如含有极性分子的聚合物或蜡），然后在强大的静电场中重新凝固而成。电介质的极性分子将自己指向静电场的方向，从而产生xxx性静电偏压的偶极驻极体。现代驻极体通常是通过将多余的电荷嵌入高绝缘电介质，如电子束、电晕放电、从电子枪注入电、跨间隙电击穿或电介质阻挡层。

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▲ 图1.1.
导电金属化土层

驻极体材料具有良好的绝缘性和稳定性，内部电荷将长期保存（数百年）。因此，在介绍驻极体麦克风的文章中，正是由于驻极体内电荷的存在，驻极体麦克风在使用过程中不需要像普通电容麦克风那样极化电压。

三、存在的问题

1.不会中和驻极体膜吗？

根据前面介绍的驻极体话筒的原理，它如果需要将驻极体薄膜的震动转换成背板上的电压变化，基本要求是需要在两个电容极板之间存在一定量的电荷。

问题是驻极体膜上的电荷存在于膜内。如果长时间暴露在外部空气中，空气中的电荷将在膜电场的作用下聚集在膜表面，并将驻极体内的极化电场中和从外部看，它形成了没有电荷的材料。

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▲ 图1.2.

2.实际麦克内部结构差异

以下是拆卸实际驻极体麦克风后的情况，其中主要部件有四个:

  • 铝金属外壳；

  • 镀金属导电层的驻极体膜；

  • 金属环；

  • JFET和电路板；

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▲ 图1.2.2 实际拆卸开的一个驻极体MIC内部结构

可以看到这个麦克风的内部结构与前面叙述的结构有着很大的差异。

除此之外，中间带有金属导电的驻极体薄膜非常薄，直观上来讲，很难想象这个带有金属层的薄膜是如何能够与金属外壳之间产生电压的。

02 问题总结

通过观察实际的驻极体麦克风内部结构，会感到其中存在着诸多的疑问。这样的薄的驻极体薄膜真的能够对于其中的内部电荷长久保持吗？薄膜在长久暴露在空气中，表面会积累期相应的电荷与其内部极化电场进行中和，这样的薄膜还会产生极化电压吗？

参考资料

[1]

An Introduction to Audio Electronics: Sound, Microphones, Speakers, and Amplifiers: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-audio-electronics-sound-microphones-speakers-amplifiers/

[2]

Cellphone acoustics: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/electret

[3]

驻极体麦克风和电容麦克风的区别: http://www.elecfans.com/video/yinpinjishu/201909241078621.html

[4]

PRODUCT SPOTLIGHT:  ELECTRET CONDENSER MICROPHONES: https://www.cuidevices.com/product-spotlight/electret-condenser-microphones#5

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