麦克风设计指南

前言：

本指南基于乐鑫的 ESP32-S3 系列语音开发板。

整机 mic 要求

麦克风电器性能推荐

麦克类型：全向型 MEMS 麦克风

在这里插入图片描述

SMD-4P,2.8x1.9mm MEMS 麦克风顶视图

在这里插入图片描述

MEMS 麦克风底视图

灵敏度

1 Pa 声压下模拟麦灵敏度不低于 -38 dBV，数字麦灵敏度要求不低于 -26 dB。

公差控制在 ±2 dB，对于麦克阵列推荐采用 ±1 dB 公差。

信噪比(SNR)

信噪比：信噪比不低于 62 dB，推荐 > 64 dB

频率响应在 50~16 KHz 范围内的波动在 ±3 dB 之内

麦克风的 PSRR 应大于 55 dB

麦克风结构设计建议

麦克孔孔径或宽度推荐大于 1 mm，拾音管道尽量短，腔体尽可能小，保证麦克和结构组件配合的谐振频率在 9 KHz 以上。

拾音孔深度和直径比小于 2:1，壳体厚度推荐 1 mm，如果壳体过厚，需增大开孔面积。

麦克孔上需通过防尘网进行保护。

麦克风与设备外壳之间必须加硅胶套或泡棉等进行密封和防震，需进行过盈配合设计，以保证麦克的密封性。

麦克孔不能被遮挡，底部拾音的麦克风需结构上增加底部凸起，保证麦克风与桌面等平面有一定间隙。

麦克需远离喇叭等会产生噪音或振动的物体摆放，且与喇叭音腔之间通过橡胶垫等隔离缓冲。

麦克阵列设计建议

客户可采用双麦克或三麦克方案：

双麦克方案：2 个麦克风之间间距保持 4~6.5 cm，连接 2 个麦克风的轴线应平行于水平线，且 2 个麦克的中心尽量靠近产品水平方向的中心。

三麦克方案：3 个麦克风等间距并且成正圆分布（夹⻆互成 120 度），间距要求 4~6.5 cm。

在选择阵列中的麦克风时，有如下注意事项：

麦克类型：全向型硅麦，推荐同一个阵列内的麦克应使用同一厂家的同一型号，不建议混用。

灵敏度：麦克阵列中各麦克灵敏度差异在 3 dB 之内。

相位差：多麦克阵列中麦克之间的相位差控制在 10° 以内。

麦克阵列中各麦克的结构设计，推荐采用相同的设计，以保证结构设计的一致性。

麦克风结构密封性建议

用橡皮泥等材料封堵麦克拾音孔，密封前后麦克风采集信号的幅度衰减 25 dB 为合格，推荐 30 dB。测试方法：

麦克风正上方 0.5 米处，播放白噪声，麦克风处音量 90 dB。

使用麦克风阵列录制 10s 以上，存储为录音文件 A。

用橡皮泥等材料封堵麦克拾音孔，使用麦克风阵列录制 10s 以上，存储为录音文件 B。

对比两个文件的频谱，需保证 100~8 KHz 频段内整体衰减 25dB 以上。

回声参考信号设计建议

回声参考信号推荐尽量靠近喇叭侧，推荐从 DA 后级 PA 前级回采。

扬声器音量最大时，输入到麦克的回声参考信号不能有饱和失真，最大音量下喇叭功放输出 THD 满足 100 Hz 小于 10%，200 Hz 小于 6%，350 Hz 以上频率，小于 3%。

扬声器音量最大时，麦克处拾音的声压不超过 102 dB (1KHz)。

回声参考信号电压不超过 ADC 的最大允许输入电压，电压过高需增加衰减电路。

从 D 类功放输出引参考回声信号需增加低通滤波器，滤波器的截止频率推荐 > 22 KHz。

音量最大播放时，回采信号峰值 -3 到 -5 dB。

麦克风阵列一致性验证

要求各个麦克风采样信号幅度相差小于 3 dB，测试方法：

麦克风正上方 0.5 米处，播放白噪声，麦克风处音量 90 dB。

使用麦克风阵列录制 10s 以上，查看各 mic 录音幅度和音频采样率是否一致。

下面为S3简介

ESP32-S3 应用

低功耗芯片 ESP32-S3 专为物联网 (IoT) 设备而设计，应用领域包括：
• 智能家居
• 工业自动化
• 医疗保健
• 消费电子产品
• 智慧农业
• POS 机
• 服务机器人
• 音频设备
• 通用低功耗 IoT 传感器集线器
• 通用低功耗 IoT 数据记录器
• 摄像头视频流传输
• USB 设备
• 语音识别
• 图像识别
• Wi-Fi + 蓝牙网卡
• 触摸和接近感应

ESP32-S3产品特性

Wi-Fi
• 支持 IEEE 802.11b/g/n 协议
• 在 2.4 GHz 频带支持 20 MHz 和 40 MHz 频宽
• 支持 1T1R 模式，数据速率高达 150 Mbps
• 无线多媒体 (WMM)
• 帧聚合 (TX/RX A-MPDU, TX/RX A-MSDU)
• 立即块确认 (Immediate Block ACK)
• 分片和重组 (Fragmentation/defragmentation)
• Beacon 自动监测（硬件 TSF）
• 4 × 虚拟 Wi-Fi 接口
• 同时支持基础结构型网络 (Infrastructure BSS)Station 模式、SoftAP 模式和 Station + SoftAP 模式
请注意，ESP32-S3 在 Station 模式下扫描时，SoftAP 信道会同时改变
• 天线分集
• 802.11 mc FTM

蓝牙
• 低功耗蓝牙 (Bluetooth LE)：Bluetooth 5、Bluetooth mesh
• 高功率模式 (20 dBm)
• 速率支持 125 Kbps、500 Kbps、1 Mbps、2 Mbps
• 广播扩展 (Advertising Extensions)
• 多广播 (Multiple Advertisement Sets)
• 信道选择 (Channel Selection Algorithm #2)
• Wi-Fi 与蓝牙共存，共用同一个天线

CPU 和存储
• Xtensa® 32 位 LX7 双核处理器，主频高达 240
MHz
• CoreMark® 得分：
– 单核，主频 240 MHz：613.86 CoreMark；2.56
CoreMark/MHz
– 双核，主频 240 MHz：1181.60 CoreMark；
4.92 CoreMark/MHz
• 128 位数据总线位宽，支持 SIMD 指令
• 384 KB ROM
• 512 KB SRAM
• 16 KB RTC SRAM
• SPI、Dual SPI、Quad SPI、Octal SPI、QPI、OPI接口外接多个 flash 和片外 RAM
• 引入 cache 机制的 flash 控制器
• 支持 flash 在线编程

高级外设接口和传感器
• 45 × GPIO 口
• 数字接口：
– 4 × SPI
– 1 × LCD 接口（8 位 ~16 位并行 RGB, I8080,MOTO6800）, 支持 RGB565, YUV422,YUV420, YUV411 之间互相转换
– 1 × DVP 8 位 ~16 位摄像头接口
– 3 × UART
– 2 × I2C
– 2 × I2S
– 1 × RMT (TX/RX)
– 1 × 脉冲计数器
– LED PWM 控制器，多达 8 个通道
– 1 × 全速 USB OTG
– 1 × USB Serial/JTAG 控制器
– 2 × MCPWM
– 1 × SD/MMC 主机接口，具有 2 个卡槽
– 通用 DMA 控制器 (简称 GDMA)，5 个接收通道和 5 个发送通道
– 1 × TWAI® 控制器，兼容 ISO 11898-1（CAN规范 2.0）
• 模拟接口：
– 2 × 12 位 SAR ADC，多达 20 个通道
– 1 × 温度传感器
– 14 × 电容式传感 GPIO
• 定时器：
– 4 × 54 位通用定时器
– 1 × 52 位系统定时器
– 3 × 看门狗定时器