麦克风简史

麦克风简史
麦克风在我们的生活中无处不在，这个诞生于电气产业初期的“史前生物”，如今已经发展成适合各类场景的多种形态。即便是业内人士，恐怕也很难说清所有麦克风的种类和工作原理。今天，我们就为大家做一个简单的梳理。

麦克风由英文 microphone 音译而来，中文正式名为传声器 - 俗称话筒，是一种将声音转换为电信号的声电换能装置。它和扬声器可谓一体两面。
历史（History）
麦克风的概念最早由英国物理学家查尔斯·惠斯通于 1827 年提出，这位大神还是自动电报机的发明者。历史上第一个真正意义的麦克风是德国发明家约翰·菲利普·雷斯 1861 年发明的雷斯电话，但由于同时期的贝尔和爱迪生等人的光芒太过耀眼，以至于雷斯常常被人遗忘，不管怎样，他对麦克风技术的贡献是巨大的。

雷斯电话

1876 年，电话发明人贝尔在他的电话中使用了液体麦克风（Liquid Transmitter / Water Microphone）,这种麦克风看上去像一个盛满水和硫酸的金属杯，原理上它也可以说是电容麦克风的鼻祖。相比雷斯电话，这种麦克风的语言清晰度有了质的提升，问题是液体的存在让量产的难度大大提高，阻止了其商用的步伐。爱迪生发现了问题所在，并致力于发明适合大规模生产的麦克风。现代麦克风的时代开启了。

碳精麦克风（Carbon Microphone）
这是一种让人暴露年龄的麦克风，因为它曾广泛使用在老式电话机中。虽然其专利存在些许争议，但一般公认碳精麦克风原型由德国发明家爱米尔·贝利纳于 1876 年发明，后又经贝尔和爱迪生等人的改进，最终成为实用产品。

炭精麦克风原型


电话机中的炭精麦克风

碳精麦克风（ 碳粒麦克风）由两片金属薄片及其之间的碳粒组成。朝外的金属薄片用于传导振动。当声波使薄片振动时，其对碳粒的压力也会变化，导致炭精颗粒之间的接触电阻变化，流过话筒的电流随之变化，从而将声音变成了电信号。

碳精麦克风的一大特点是 - 能将声音转换为强度达 -20dB - 0 dB 的电信号，这种自带 20 dB 增益的属性让早期较原始的电信系统如虎添翼，因此被大范围使用在各类电话机和广播电台中。

早期炭精麦克风缺点也很突出，比如灵敏度不高，频率范围有限，本底噪声也很高。

动态麦克风（Dynamic Microphone）
动态麦克风是一个广义的概念，常见的有动圈麦克风和铝带麦克风两种。

动圈麦克风（Moving-Coil Microphone）
最早的动圈麦克风由德国电气工程师西门子于 1877 年发明，但当时的磁体普遍孱弱，而变压器直到大约 1885 年才出现，所以西门子的麦克风并未获得巨大成功。直到 20 世纪 30 年代，美国西方电气公司基于前人的经验，开发了如今最广为人知的动圈式麦克风，这种麦克风也几乎成了所有麦克风的象征。


动圈麦克风利用了“学过物理的人都知道的电磁感应原理”，以一个可以活动的线圈和一块磁体为核心。声波振动推动线圈，线圈切割磁场产生电流，实现了声电的转化。

动圈麦克风结构简单可靠，成本低廉，很快就占领全球市场。无论 K 歌，播音还是各种演出，它都是不可或缺的一员。


奇怪的是，从电声性能上看，动圈麦克风无论如何都称不上“好”麦克风，比如它的灵敏度不高，频率响应范围也相对较窄，用普通人能听懂的话说就是 - 它对微弱的声音反应迟钝，对高音可能无动于衷。可正是这些缺点，让它成为现场演出的不二之选，因为灵敏度和频率范围都不够，反而能有效排除现场噪声，专注接受歌手或乐器的声音。

动圈麦克风的成功正印证了“合适的才是最好的”这句话。

铝带/带式麦克风（Ribbon Microphone）
铝带麦克风比较少见，作为动态麦克风的一种，也是利用磁场切割带来的电流变化实现声电转换，和动圈麦克风不同的是，铝带麦克风将线圈换成了铝带（或其它材料）。它最早是 1924 年德国科学家肖特基和格拉赫共同发明。


它的核心是一条非常薄的铝带，因为这种结构只能产生很低的电压，所以还需要配合前置放大器实现有效输出。

铝带麦克风解决了动圈麦克风不够灵敏的缺点，铝带能感知极细微的变化，它的动态范围较宽，应对高频率的大声压也从容不迫。它能很好的还原声音，很多专业录音棚会选择铝带麦克风。

这种麦克风的缺点显而易见，铝带非常脆弱，成本也显著高于动圈麦克风。

电容麦克风（Condenser Microphone）
除了动态麦克风，电容麦克风近年来异军突起，暗中形成了一股强大的势力。事实上，电容麦克风的历史也很悠久 - 早在 1916 年，上文提到的西方电气公司就开发了最早的电容麦克风。

真电容麦克风（True Condenser Microphone）
所有的电容麦克风总体上都利用电容的充放电原理，真电容麦克风的结构类似炭精麦克风，不同的是它的两层金属膜（或高分子材料）之间是空的，构成了电容。当外层金属膜受声波冲击，其与内层金属膜之间的距离就会变化，从而改变电容，在电路中产生一个交流电，实现了声电转换。国内习惯称电容麦的传感器部分为“咪头”。


咪头的防护罩和金属膜

真电容麦克风是电声性能无可争议的王者之一，它灵敏度极高，频率响应范围宽泛，能应对较大声压级。很多声学仪器都使用真电容麦克风，它还常常出现在录音棚等专业场所。

它的缺点也很明显 - 就是构造复杂，金属膜等材料非常娇贵，对生产和使用都有极高要求。真电容麦克风一般还需要前置放大器将微弱的电信号放大才能进行后续处理，除此之外，通常还需要“幻象电源”额外供电才能工作。

驻极体麦克风（Electret Microphone）
真正的明星登场了，这种不起眼的麦克风或许是目前世界上使用最多的麦克风，尽管很多人意识不到它的存在。各种玩具，通信设备，摄像机，手机，汽车中都能找到它的身影。


现代意义上的驻极体麦克风由贝尔实验室于 1961 年推出，它改进了传统电容，通过使用驻极体材料，让电荷永久保存在驻极体中，省去了传统电容的供电部分，简化结构，大大缩小了麦克风体积。虽然性能有所妥协，但它成本低廉，量产简单，很快获得市场认可。

驻极体麦克风结构示意

但因驻极体材料中的电荷会随时间逃逸，这类麦克风的性能可能会逐渐下降，其灵敏度等指标也不够稳定。近年来，随着驻极体材料的发展，这些问题正在逐步得到解决。

微型机电系统麦克风（MEMS Microphone）
随着半导体和集成电路等技术的不断发展，把电容搬上硅片顺理成章，1983 年，德国科学家塞斯勒和霍姆共同在贝尔实验室开发了第一款 MEMS 麦克风（驻极体麦克风是塞斯勒和另一位科学家韦斯特共同开发）。


MEMS 麦克风的压力感应膜通过微机电技术直接蚀刻在硅芯片上，芯片上通常也同时集成相关电路，包括前置放大器等，如果再内置模数转换器，就成了数字 MEMS 麦克风，这也是如今使用最广的 MEMS 麦克风，很多人习惯称之为“数字硅麦”。

MEMS 麦克风成品解剖

MEMS 麦克风虽是新秀，却大有取代驻极体麦克风之势。因为它具备诸多无可比拟的优点：

性能优异可靠；
一致性空前，受环境变化的影响极小；
可以承受一定的撞击；
体积小巧，数字化，便于集成在电路中；
便于量产。
当它以阵列形式出现，便让声源定位，噪声消除和语音识别等应用变得易于实现。越来越多的智能设备，汽车等都开始大规模使用 MEMS 麦克风。



最后
除了文中提到的这些麦克风，还有光纤麦克风，激光麦克风，水晶麦克风等五花八门的品种，因为比较小众或技术还不够成熟，我们就不详细介绍了，感兴趣的朋友可以自行了解。

麦克风的绝对性能可以通过音频分析仪等测试，常见的衡量指标有灵敏度，频率响应，失真，指向性等。