MEMS麦克风的声学设计

密封圈材质对频响的影响

到此为止所做的全部仿真实验都是集中在声音路径形状对频响的影响，并在所有路径表面应用了声音硬边界条件。下面的仿真实验讨论密封圈声阻抗对频响的影响。如图9所示，本实验对声孔（黄）、传感器腔体（粉）和传感器振膜（绿）的表面应用适合的声阻抗，而蓝色表面的声阻抗是变化的。某一种材质的声阻抗是指该材质的密度与穿过该材质的声速的乘积（Z =ρ。c）。密封圈通常由橡胶或其它弹性材料制成，而典型的产品外壳材质通常是塑料、铝或钢。


图9–声音路径表面


图10–密封圈材质对谐振峰值振幅的影响

因为谐振频率是由声音路径的形状决定的，虽然改变密封圈的声阻抗不会影响谐振频率，但是会影响谐振Q值。尽管声音路径保持连续谐振，但是质地更柔软的密封圈可减弱谐振，降低其在谐振频率附近的影响。与采用声音硬边界条件的实验结果相比，采用铁表面材料的声孔大幅降低了频响振幅峰值，这表明，使用声音硬边界条件得出的测试结果的严峻性不切实际。

案例分析–分析平板电脑下声孔麦克的整个声音路径

图11所示是一个平板电脑的下声孔麦克的声音路径。在这个示例中，下声孔麦克装于印刷电路板上，印刷电路板与产品外壳之间插入一个气密性软橡胶密封圈。


图11–平板麦克的声音路径设计和声腔3D模型

本仿真实验对声音路径所有组件都设定了适合的声学特性。图11（b）所示是11（a）结构的声音路径3D模型。本仿真实验所有材质在消费电子产品中都较为常用：FR4印刷电路板、软橡胶密封圈、铝制机身。


图12–平板麦克声音路径仿真结果

图12（a）所示是谐振峰值频率大约21.6 kHz的声音路径的频响曲线，图12（b）所示是在21.6 kHz谐振频率下气压在声音路径内的分布情况。在该谐振频率下，MEMS振膜承受的气压最大。

结论

下面的指导原则有助于麦克风声音路径的频响优化。

●声音路径尽量最短、最宽。将声音路径外部入口加宽有助于改进频响，而将声音路径的麦克风端加宽，则会降低频响性能。

●设法不让声音路径内存在任何空腔。假如无法避免，则尽量让空腔远离麦克风声孔。

●声音路径弯曲似乎对频响影响不大。

●质地柔软的密封圈材料可弱化谐振，提高频响性能。