駐極體電容式麥克風完整指南

駐極體電容式麥克風 (ECM) 是音訊技術中，一種經典但強大的聲音捕捉解決方案，可為各式應用提供可靠性和適應性。MEMS 麥克風的設計容易整合，且具有緊湊的尺寸，因此備受青睞，但 ECM 憑藉其多樣化的安裝配置、寬廣範圍的指向性以及聲學豐富性，在電子設計中仍然十分實用。

本文將檢視 ECM 的運作原理，探索其內部電路以及定向響應，從用於寬廣環境聲音捕捉的全向場型到用於集中聲音隔離的單向配置。也將探索靈敏度、訊噪比 (SNR) 和頻率響應等關鍵的效能指標，以提供適當的元件選擇建議。

駐極體電容式麥克風基礎知識

駐極體電容式麥克風 (ECM)，也稱為電容麥克風，使用駐極體 (一種永久帶電或極化的鐵電材料) 進行操作。駐極體具有高電阻和化學穩定性，可確保嵌入的電荷在數百年內保持完整，不會有明顯衰減。 「駐極體 (electret)」一詞源於「靜電 (electrostatic)」和「磁鐵 (magnet)」的組合，反映靜電荷嵌入材料的過程。這透過排列駐極體中的靜電荷達成，類似於排列磁疇以形成磁鐵的方式。

此固有特性為麥克風設計提供明顯優勢。ECM 不如傳統電容式麥克風需要外部極化電壓才能運作，其駐極體內建的靜電荷可消除此需求。此簡化可降低電路設計的複雜性，使 ECM 能夠在緊湊的低功率應用中以高效率運作，因此在各種音頻系統設計中倍受青睞。

駐極體電容式麥克風的工作原理係依賴振膜作為電容的一個極板，而背板作為電容的另一個極板。聲波引起振膜振動時，振膜和背板之間的距離會改變，導致電容值變化。電容值變化如以下方程式：

C = Q / V

此處：

• Q = 電荷 (由於駐極體中嵌入電荷，因此保持不變；單位：C)
• C = 電容值 (單位：F)
• V = 電位差 (單位：V)

電容量 (C) 因振膜運動而改變時，電容兩端的電壓 (V) 會成反比變化，產生與聲音振動對應的電訊號。

接著，該變化電壓會饋送到麥克風內的場效電晶體 (FET) 中，放大訊號以達到更佳傳輸。輸出級的 DC 阻隔電容可消除任何不必要的直流偏移，確保輸出乾淨的音訊訊號。這種設計簡單且有效，讓 ECM 成為各種電子應用中捕捉聲音的可靠選擇。

圖 1：ECM 的工作原理 (圖片來源：Same Sky)

駐極體電容式麥克風的典型結構包括幾個關鍵組件：

• 不織布：防塵，但允許聲音通過
• 外殼：容納並保護內部零件
• 極環：標明振膜上使用的駐極體材料
• 振膜：回應聲音產生振動，改變電容值
• 隔片：保持振膜與背板之間的距離
• 背板：構成電容的固定電極
• 底座：提供結構支撐
• 銅環：確保導電性和電氣連接
• PCB：納入 FET 和其他用於訊號放大的電路

下圖顯示 ECM 的拆卸和組裝結構。

圖 2：ECM 的分解圖 (圖片來源：Same Sky)

圖 3：ECM 的組裝圖 (圖片來源：Same Sky)

ECM 方向性或極性模式

駐極體電容式麥克風具有多種方向性或極性模式，定義從不同方向捕捉聲音的方式。方向性是一項關鍵規格，應依據應用和用途需求進行選擇。最常見的 ECM 場型是全向性 (圖 4)、單向性 (圖 5) 和降噪性 (圖 6)。

圖 4：全向場型圖片 (圖片來源：Same Sky)

全向麥克風可以捕捉來自四面八方的聲音，非常適合錄製歌手團體音樂或進行電話會議等應用。聲音拾取場型通常繪製為圖示，其中 0° 代表麥克風的正面，聲音強度從 0° 到 360° 以放射狀繪製。雖然這些麥克風用途廣泛，但都有一個共同缺點：即無法區分所需聲音和環境噪音，通常會拾取和放大環境聲音。

圖 5：單向場型圖片 (圖片來源：Same Sky)

單向麥克風主要用於從單一方向捕捉聲音，減少不必要的背景噪音，如說話聲、鍵盤咔嗒聲、紙張摩擦聲等。因此非常適合聲音或語音應用，可隔離非必要的聲音來源。最常見的單向場型如圖 5 所示，具有較寬的拾音區域，在離軸 180° 處具有最大的抑制範圍。

圖 6：抗噪場型圖片 (圖片來源：Same Sky)

降噪麥克風或雙向麥克風用於濾除環境噪音，同時聚焦於所需的聲源，因此非常適合在吵雜的環境使用。這些麥克風至少有兩個聲音接收埠：一個朝向所需聲音，另一個朝向較遠的噪音。近距離的聲音會在振膜上產生更大的壓力梯度，如此能更佳捕捉目標音訊。調整鄰近效應，以確保靠近前埠口的聲音具有平坦的頻率響應，而來自其他角度的聲音會出現明顯的中音和低音衰減。常見的應用包括呼叫中心、直升機耳機、賽車員通訊系統等。

關鍵 ECM 規格

除了 ECM 方向性之外，在選擇組件時還需要注意以下幾項參數：

• 靈敏度降低：麥克風的供電電壓降低時，會有增益損耗。
• 靈敏度：測量麥克風偵測聲音的能力。高靈敏度可以捕捉較安靜或較遠的聲音，且較少放大，可降低噪音。此屬性有助於確定是否適合音樂錄製等應用或在嘈雜環境中使用。
• 訊噪比 (SNR)：所需聲音 (如語音或音樂) 與麥克風捕捉的背景雜訊的比率，表示整體音訊清晰度。
• 安裝樣式：ECM 安裝最常見的配置包含 PCB 引腳、導線是否含連接器，以及端子類型。端子配置可進一步定義為回流焊的表面黏著或手工焊接的焊盤。

結論

駐極體電容式麥克風在現代音訊技術中不可或缺，可提供精確的聲音捕捉和多樣的定向能力。具備良好可靠性和適應性，因此在各種應用中必備，使用者若能瞭解其操作和關鍵規格，有助於依據需求選擇合適的麥克風。探索 Same Sky 的全系列麥克風和音訊設計服務，取得量身打造的解決方案。