Acoustic Design for MEMS Microphones

MEMS麦克风的声学设计 引言 MEMS麦克风因为其高性能和小尺寸特点，被广泛应用于平板电脑、笔记本电脑和智能手机等消费电子产品。然而，这些产品中麦克风的声音入口通常并非直接与外部环境接触。因此，需要设计一条从外部环境到达麦克风的声学路径。这条声学路径的设计对系统的整体性能影响极大。从外部环境到麦克风膜片之间所有组件，包括产品外壳、声学垫片、印制电路板（PCB）和麦克风本身，都作为一个波导来塑造整体频率响应。此外，声波路径中所用材料也会影响频率响应。确切预测声学设计的性能，需要利用专业仿真工具（如COMSOL®）对声学路径进行建模并模拟其频率响应。不过，本文提供了优化麦克风声学路径的一些基本指南。 亥姆霍兹共振 亥姆霍兹共振（Helmholtz resonance）是指当激发一个带有狭窄声音入口的空腔时，会产生声学共振。这就解释了为什么吹过空瓶子顶部时会发声。这种结构被称为亥姆霍兹谐振器，是以其发明者赫尔曼·冯·亥姆霍兹的名字命名的。亥姆霍兹利用具有不同共振频率的谐振器来识别音乐和其他复杂声音中的频率成分。亥姆霍兹共振的中心频率由以下公式给出： 其中，c代表声速，AH代表声音入口的横截面积，LH代表入口的长度，VC代表空腔的体积。该公式假设一个简单的结构，即一个具有均匀横截面积的管与一个空腔相连。不过，描述具有不同横截面积和不同材料的麦克风声学路径中声波行为的方程要复杂得多。这种复杂性使得利用仿真工具进行模拟变得必要。 设计麦克风腔体以避免亥姆霍兹共振 为了避免亥姆霍兹共振，麦克风腔体的设计至关重要。亥姆霍兹共振可能会干扰麦克风正常工作时的频率响应，特别是在共振频率附近，可能会产生峰和谷，从而影响声音的清晰度和麦克风的灵敏度。为了设计出既能有效地传导声音，又不会产生不希望的共振效应的声学路径，我们需要遵循以下几个基本原则： 1. 合理选择腔体尺寸：腔体的体积、形状和声音入口的尺寸直接关系到亥姆霍兹共振频率的产生。过大或过小的腔体都会增加共振风险。设计时应当根据所需的工作频率和麦克风的规格来确定腔体的具体尺寸。 2. 避免狭长入口：狭窄和过长的声音入口更容易产生亥姆霍兹共振。因此，在设计腔体时应当尽量缩短声音通道的长度，并尝试扩大入口的面积以减少共振发生的可能。 3. 材料选择：不同的材料会对声波的传导和频率响应产生不同的影响。例如，刚性材料能更有效地传导声音，但是可能会增加共振效应；软性材料则可能吸收声波，从而减少共振。在材料选择上需要权衡利弊，以达到最佳的声学效果。 4. 仿真与测试：在麦克风腔体设计过程中，利用声学仿真软件进行模拟测试是不可或缺的步骤。通过仿真可以预测不同设计参数对麦克风频率响应的影响，从而优化设计，避免亥姆霍兹共振。 5. 实验验证：将设计的麦克风原型进行实际测试，以验证仿真结果的准确性并进一步调整设计。这通常涉及在特定的声学环境中测试麦克风的频率响应，确保其性能满足设计规格。 总结 本文介绍了MEMS麦克风中的声学设计以及亥姆霍兹共振的基本原理，并提供了避免亥姆霍兹共振，设计高效声学路径的一些基本原则。这些指南有助于工程师在设计高性能麦克风时，优化声学性能，提升音质。通过精心设计和细致的仿真、测试过程，可以确保最终的麦克风产品在各种应用场景中都能提供出色的性能。