ARC Studio 声场校准的【测量 "法宝"】

ARC Studio声场校准的

测量 "法宝"

和 TONEX 上市时一样，ARC Studio 实在太火爆了，导致了全球性的 "疯狂"，意大利的 IK Multimedia 的工程师们不得不日夜赶工，以满足越来越多的市场需求和订单

我想这首先体现了广大消费者对 "IK" 这个意大利音频厂牌的认可，其次是该产品无论从实用性、精准性、价格定位上都得到了市场的肯定

ARC Studio（IK 校准盒子）

那么说到精准性和实用性，大家可能第一时间想到的是 ARC Studio 的硬件 - "IK 校准盒子"，然后就是 ARC 4 的校准软件和编辑软件该，但也许您忽略了 ARC Studio 一个重要的关键设备 MEMS 测量麦克风，千万不要小看这个 "小家伙"，该麦克风采用了高精度的 MEMS 振膜，可确保捕获最宽广的频率响应精度和设备的长期稳定性，今天我们就和您一起来看看这个简约却不简单的 "小家伙"

（图）IK Multimedia MEMS 测量麦克风沿袭打造一个全向性麦克风的设计理念

也许您还不知道，随着科技发展的飞快速度，这种基于微电子机械系统（MEMS）技术的麦克风，全世界目前产品已达到了十亿个，并且数字还在不断增长，可以说完全的占据了巨大的手机、平板电脑和便携式电脑市场（细心的朋友们会观察到，越来越多的人开始用手机进行直接的实况录音，而开始放弃那些传统 "复杂" 的录音设备了）

除了便携的原因，我想这主要的原因是：与驻极体麦克风相比，MEMS 麦克风的工作温度范围宽、对焊接应力具有良好的耐受性、电流要求低。它们还具有体积小、重量轻和机械坚固的特点。并且由于体积小，它们还可以在阵列中使用，这对许多设备中的 DSP "噪音消除" 大有帮助

【中字】轻松完成室内声学校准

ARC Studio

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我们先来看看 MEMS 的传感器，它的构造与微型芯片极其类似（即使用一块高纯度硅作为基底，并进行一系列蚀刻和沉积操作）。这不仅使部件的一致性远高于通常的机械装配，而且使信号调节的集成，变得更加简单

我们知道大多数微机电系统，都是根据电容器原理工作的，也就是说，它们有一个膜片和一个带恒定电荷的背板，声压导致它们之间的距离（进而电压）被调制。不吹不黑，初期的制造的 MEMS 缺点很多，包括动态范围小，由于前腔和/或后腔的亥姆霍兹（Helmholtz）腔共振导致频率响应不均匀；膜片尺寸过小也导致本底噪声明显（这也是电子膜片在 "低成本" 测量应用中仍占主导地位的原因）。不过，随着科技的发展，MEMS 技术得到了 "飞跃般" 的改进，使其成为测试和测量应用的可行选择

赫尔曼·路德维希·费迪南德·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz)），德国物理学家、医生。他在多个科学领域做出了重大贡献，尤其是在流体动力稳定性上的成就尤为突出

IK 也创新大胆的尝试了基于微机电系统（MEMS）的测量话筒，用于室内声学测量采集数据，从而取代了该公司早期版本中使用的驻极体话筒，IK Multimedia 表示早期的驻极体话筒非常 "糟糕"，我们希望对它进行升级的主要原因是：它的高八度衰减严重（20 kHz 时为-10 dB），失真也相对较高；此外还有一个原因是，最新的 MEMS 麦克风拥有更宽广的全指向（自由声场）极性模式

（图）IK Multimedia MEMS 麦克风的几何形状与众不同，它通过顶面的小孔进行声波传感

根据上图我们可以看到最新的 MEMS 麦克风安装在一个注塑成型的塑料盒中，在使用麦克风时，注意传感器设计位置在顶部（尖端需要指向扬声器）。而 MEMS 麦克风通过一根标准 XLR 电缆连接到任何可提供幻象电源的音频接口（声卡）麦克风前置放大器的输入端。顶部还有一个小型绿色 LED 指示灯，用于指示是否电源通电

取下外壳后，可以看到 MEMS 元件安装在 PCB 的顶部，是一个顶部端口传感器（见上图）。使用顶部端口 MEMS 的安装设计是获得全向水平极性采集的必要元素设计。（当然，这样做的代价是垂直极化模式不是全向的）

虽然 MEMS 元件上没有可读标记，但它看起来与 SiSonic 系列中的 Knowles SPH1642HT5H-1 很相似。MEMS 主要元件包括传感器本身、缓冲器和输出放大器等。电路板上的其他部件用于将幻象电源转换为适合 MEMS 元件的工作电压，以及用于驱动传输电缆线材和话筒前置放大器的缓冲电路

测量 MEMS

我使用 Audio Precision APx515 分析仪和 APx1701 传感器接口进行了所有测量。参考麦克风是一个经过校准的 PCB Piezotronics 376A32 0.5 英寸幻象供电预极化电容式麦克风

上图所示，IK Multimedia MEMS 麦克风的频率响应在中音部分非常均匀，在高八度音部分有明显的上升表现

IK Multimedia MEMS 麦克风的性能指标比较简单，没有给出灵敏度。我测得它在 94 dB SPL（或 -38 dB）时的灵敏度为 12.4 mV。MEMS 麦克风 1 kHz 以上的准消声轴上频率响应如上图所示，该频率响应是通过在 1.5 米距离处使用 Vanatoo Zero 功率扬声器播放扫频信号与参考信号，进行比较而获得的。（方法是在测量中将扬声器的频率响应从两个麦克风响应的比值中去除。从扫频得到的脉冲响应经过门控处理，以消除房间效应，从而得到准消声测量结果）

上图所示，IK Multimedia MEMS 麦克风的低音响应是滚降的，-3 dB 点大约在 65 Hz左右

我们知道，大多数微机电系统元件在 21 至 25 kHz 处会出现一个峰值，这是扩展高频响应的一种方法。经测量 MEMS 共振频率约为 23 kHz，峰值导致最高可听倍频程的响应平稳上升，20 kHz 的响应比中频高出 6 dB。除此之外，话筒的响应也很平滑，而且这种上升很容易在软件中均衡（IK Multimedia 在 ARC4 系统中 "完美" 的做到了这一点）

另外根据上图，我们观察 MEMS 麦克风的低音响应，这是通过使用参考 PCB Piezotronics 麦克风和 ARC MEMS 测量低音扬声器，然后求出结果的比值得到的。从图中可以看出，MEMS 麦克风的 -3 dB 点大约在 65 Hz 左右

关于大家关心的 "设备底噪"

另外，我们还测量了 IK Multimedia MEMS 麦克风的设备 "本底噪声" 。在 20 kHz 带宽和 A 级加权条件下，噪声等效声压级为 29 dB。这比通常的 94 dB SPL 参考值低 65 dB，因此话筒完全符合其 65 dB 信噪比 (SNR) 规格

如图所示，MEMS 麦克风在轴上和 180° 时的响应对比显示了一些与衍射有关的波纹，但在最高倍频程时没有滚降

当我们开始进行极性模式测量时，我们发现中高音出现了一些相当复杂的波纹。上图显示了出现这种情况的原因，该图是轴向和 180° 频率响应之间的比率。对于一个完美的全向麦克风来说，这应该是一条 0 dB 的平线。对于使用传统技术（电容或驻极体）的实际全向麦克风，我们通常会看到几个分贝的高音滚降和一些衍射产生的小波纹。IK Multimedia MEMS 麦克风的有效振膜直径大约为一毫米，因此通常的高音滚降并不明显，从这个意义上说，这是我见过的最好的麦克风测量结果。由于元件的安装方式不同寻常，衍射效应变得更加明显，该图显示了 180° 时，中高音部分一些非常明显的峰值和骤降（尤其是在 7 kHz 处，这可能与 MEMS 端口和麦克风前端之间的距离有关），而这些在轴向响应中并没有出现

上图：IK Multimedia MEMS 麦克风和参考麦克风对扬声器的失真测量对比显示，在中等声压级下的失真度为 0.1-0.2%

我通常测量麦克风失真的方法是在低音扬声器上进行低频近场测量。由于与低音扬声器的距离较小，因此对于高声压级而言，偏移（以及失真）可能会很低。这种方法不适用于 MEMS 麦克风，因为它采用了顶部导孔布局，但本着随机应变的精神，我们对扬声器系统进行了 1 米轴上失真测量，并将其与使用参考 PCB Piezotronics 376A32 麦克风进行的相同测量结果进行了比较，后者以麦克风中失真最低而闻名。上图显示了扬声器在 78 dB SPL 下的失真与频率的关系。在低频时，扬声器的失真占主导地位，但在高频时，失真降至 MEMS 麦克风的失真底限以下，THD 约为 0.1% 至 0.2%。在相同频率下，PCB 麦克风的失真约为 0.04%，但考虑到二者的价格差，还要啥自行车呢

我们再将 MEMS 麦克风置于距离低音扬声器音盆约 1 英寸（2.5厘米）处测量，显然这只是测量，因为真正校准的时候麦克风不会放置在这个位置。200 Hz 的 3% 失真点约为 119 dB SPL。这与 Knowles MEMS 麦克风的元件额定值（10% 失真时为 124 dB SPL）一致。在 1 kHz 频率下重新测试，失真测量结果大致相同

结束语

综上所述，MEMS 的低成本和耐环境性，绝对是其令人信服的优势，而微小的振膜尺寸则暗示了一些有趣的潜在优点。对于这种使用最新一代 MEMS 传感器的麦克风来说，本底噪音和频率响应平整度与前几代产品相比有了明显改善。高八度的后部响应以及中音在轴上的平整度，尤其令人印象深刻，最后我想说的是 MEMS 传感器出色的环境稳定性和坚固性，在真实的应用场景中，绝对是值得推荐

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