第一节 麦克风
麦克风是传声器的俗称，麦克风的作用是把声信号转化成电信号输入到放大器。麦克风以线性方式工作，也就是说每次输入信号声压加倍，输出电压也会加倍。一个完美的麦克风，从麦克风出来的电流信号的波形与进入麦克风的声学信号的波形是一致的。
一、麦克风的种类
目前，助听器常用麦克风的种类按工作原理可分为电容式、驻极体式、硅胶式等。
(一)电容式麦克风
电容式麦克风主要由振膜、后极板、极化电源、前置放大器组成。电容式麦克风的极头，实际上是一只平板电容器，一个固定电极，一个可动电板，可动电板就是极薄的振膜。
电容式麦克风工作原理：声波作用在振膜上引起振动，从而改变两极板间的电容量，引起极板上电荷量的改变，电荷量随时间变化形成高变电流，流经电阻两端产生压降，再经过放大器输出高变信号。
(二)驻极体麦克风
驻极体被用来描述一种固体电解质，可对它加电应力，并在除去外部所加的应力时，电应力在某种程度上“固定”于该材料中。驻极体是永久静电场的源，在这个意义上，它类似于永久磁铁。
驻极体麦克风实质上是一种电容式麦克风。如图2-2所示的是驻极体麦克风，它的极化是由永久驻极体层提供的，这个驻极体层是由具有适当介质特性的塑料做成的。它的工作原理是声波使绷紧的膜片交替地趋向和偏离背面板，并在两个电极之间引起电容的交替变化，从而引起电压的改变。
图2-2 驻极体麦克风示意
驻极体麦克风不需要额外的直流电压作为极化电压，但驻极体麦克风的输出阻抗很高，因而对静电干扰十分敏感。需要一个场效应管作为阻抗转换器，放置在麦克风内部，同时场效应管需要一个低压工作电源供能。因此，驻极体麦克风需要一个低压电源。
图2-3为两个驻极体麦克风的频率响应特性。一个在很宽的频率范围内(100Hz~15kHz)频率响应曲线十分平坦，另一个在4kHz附近有一个共振峰，是专为助听器应用而设计的。因为一般患者佩戴助听器后，改变了外耳道原来的长度和容积，使外耳道失去了原有的共振特性。这个设计正好补偿了由此引起的高频损失。
图2-3 驻极体麦克风的频率响应特性
图2-4为普通驻极体麦克风，常用于手机、盒式助听器和低端耳背式助听器。图2-5为采用稳压电源供电的驻极体麦克风，由于采用稳压电源，首先灵敏度不会随着电池电压的变化而变化，其次电源波动小，本底噪声更小。采用稳压电源供电的驻极体麦克风普遍应用于中高端助听器。
图2-4 普通驻极体麦克风
图2-5 采用稳压电源供电的驻极体麦克风
(三)硅麦克风
硅麦克风(图2-6)是发展中的新型麦克风。硅麦克风也是电容式麦克风，其原理是利用声音变化产生的压力梯度使电容式微麦克风的声学振膜受声压干扰而产生形变，进而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值。该电容值的变化由电容电压转换电路转化为电压值的输出变化，再经过放大电路将硅麦克风传感器产生得到的电压放大输出，从而将声压信号转化成电压信号。
图2-6 硅麦克风
由于传统驻极体麦克风采用高电压将电荷驻存在驻极体材料上的工作原理，电荷易受环境和使用条件的影响，造成电荷逃逸，灵敏度降低。硅麦克风采用偏置电压工作原理，无需驻存电荷，无需驻极体材料，灵敏度稳定性好，其灵敏度受温湿度和尘埃影响小。另外，硅麦克风产品零件少，采用全自动生产，每个产品性能的一致性好，优于驻极体麦克风。
二、麦克风的主要性能
(一)灵敏度
麦克风灵敏度是其声输入的大小与电输出的关系。灵敏度方程为：
n=20lg(E/P)
式中，n为灵敏度，dB; E为输出电压(均方根), V; P为声压级(均方根), Pa。
麦克风灵敏度与频率有关。
(二)麦克风的频率响应
麦克风的频率响应是指麦克风对应于频率的灵敏度情况。前面已经讨论过，驻极体麦克风的频率响应除了在4kHz附近有一个共振峰外基本上是平坦的。助听器中的驻极体麦克风还使用了低频衰减，可以减少助听器对经常围绕在我们周围的低频强声的灵敏度。
在模拟助听器时代，为了方便调节助听器频率响应曲线，麦克风频率响应曲线种类较多。随着数字助听器的普及，助听器频率响应曲线的改变相当方便，麦克风频率响应曲线一般只有图2-7(A)、(B)两种。
图2-7 不同类型麦克风的灵敏度-频率曲线
(三)麦克风的噪声
麦克风的噪声由设备噪声及输出噪声两部分组成。如图2-8、图2-9所示，设备噪声与输入声压级大小无关，输出噪声与输出电压有关，也就是与输入声压级有关。麦克风是产生助听器本底噪声的主要元件，麦克风灵敏度越高，实现低噪声的难度就越高。
图2-8 麦克风的设备噪声
图2-9 麦克风的输出噪声
三、麦克风的缺陷
(一)暴露在化学成分(如汗水)中的易损坏性
所有元件都会随机产生少量的电噪声，麦克风也不例外。麦克风总噪声一部分是由空气分子对振膜的随机运动产生的，另一部分是由麦克风内部产生的。噪声如果被助听器的放大器放大，有时在安静环境下也可以被助听器使用者听到，尤其当使用者在该频率的听阈接近正常时。一般通过衰减麦克风的低频频率响应来降低噪声。
(二)对振动敏感
麦克风对振动很敏感，比如摩擦助听器的声音(盒式助听器与衣服相摩擦)、身体的直接振动(如在硬的平面上跑动)、撞击声等。这些振动放大后就会成为一种较吵的声音。
其次，当助听器的受话器工作时会产生声音的振动。麦克风拾取部分振动，转换成电信号，然后被助听器放大，传送到受话器，这又会产生进一步的振动。因而有可能在低频上产生一个听得到的振动，这需要通过调整麦克风和受话器的位置来避免这个问题。
(三)易受风噪声的影响
当风撞击头部、耳郭或助听器时，会产生压力的波动，麦克风把这些振动转换成电的波动，听损者有可能会听到烦人的低中频风噪声。
(四)频响范围易受影响
当助听器的结构设计不好时，会产生麦克风的第四个缺陷。如果麦克风与进声孔之间的管子长且壁薄，由于赫尔姆霍茨共振，在输出的增益频率响应上会产生一个很大的峰，而且超过峰频率后的增益下降得很快，这样就减小了助听器的频率响应范围。
四、方向性麦克风
为解决助听器在噪声环境下的信噪比问题，方向性麦克风问世了。
(一)方向性麦克风的种类
以前的方向性麦克风的结构如图2-10所示，是一个具有两个进声孔的麦克风，声波从两侧的进声孔传入麦克风的振膜，振膜感受到的是两侧声压的压力梯度。这种方向性麦克风也称压力梯度传感器。
图2-10 双进声孔方向性麦克风剖面图
现在，绝大多数方向性麦克风采用的是两个或多个性能匹配的麦克风阵列。但是由于麦克风的匹配较困难以及助听器的空间位置有限，常用的方向性麦克风由两个麦克风组成。
(二)方向性麦克风的极性
全向性麦克风所有方向上的声压灵敏度基本相同，其极性图为一球形。方向性麦克风极性的种类可分为下列几种：
1．心形。对来自前方及两侧的声压灵敏度较高，对来自后方的声压灵敏度很低，起到抑制后方噪声的作用。在自由声场中测试方向性麦克风，多数呈心形极坐标图，如图2-11(A)所示。
图2-11 方向性麦克风的极性
2.“8”字形。“8”字形又称为双极形。对来自前方及后方的声压灵敏度较高，对来自两侧的声压灵敏度很低，起到抑制两侧噪声的作用，如图2-11(B)所示。
3．超心形。对来自前方的声压灵敏度较高，对来自后方的声压灵敏度次之，对来自斜后方的声压灵敏度很低，起到抑制斜后方噪声的作用，如图2-11(C)所示。
4．超级心形。图形类似于超心形，对来自前方的声压灵敏度较高，同时对来自后方的声压灵敏度也较高，而对来自两侧的声压灵敏度很低。
当图形从心形到超心形，再到超级心形转变时，对后背声音的敏感性逐渐加强，但对来自前面声音的敏感性逐渐减弱。在极端情况下，“8”字形前部和后部有相同的敏感性，但麦克风对来自边上的声音完全没有敏感性。
哪一种响应是我们所希望的？在许多真实的环境下，不想要的噪声或多或少会来自不同的方向，因为即使噪声来自一个或两个声源，房间的反射也会使声能量到达助听器佩戴者的所有方向。如果要在噪声环境下产生最大的言语可懂度，一个好的方向性麦克风应该对需要接收的言语信号有最大的灵敏度，而对其他方向不需要的声信号的灵敏度越低越好。
(三)自适应方向性麦克风
自适应方向性系统能根据周围环境的变化自动改变麦克风方向性类型，抑制噪声。在通常情况下，该系统会使用两个甚至多个全向性麦克风，通过对它们输入的数字信号进行智能处理来达到自适应方向性的效果。所以实际上，自适应方向性系统是通过全向性麦克风阵列来实现一个“虚拟”的方向性麦克风，如图2-11(D)所示。部分采用这种技术的助听器用户，在噪声环境下的言语可懂度甚至高于正常人。当然，这种降噪模式在言语信号来自前方、噪声环境在后方时最为有效。
自适应方向性系统采用的运算方法，短时间内(几毫秒)便可计算出最佳的极向模式。无论何时，极向模式收集声音的零点位置都对准了最大噪声源，这意味着任何时候都可以进行最佳降噪。极向模式对周围声音的分析，目前能以每秒250次以上的速度更新。自适应方向性系统的有效控制噪声源必须在90°和270°之间。
方向性麦克风的使用，使助听器能将有用的信息放大并抑制噪声，从而提高在噪声环境下的言语可懂度。
研究报告显示，使用方向性麦克风的助听器在噪声环境下的言语可懂度明显高于使用全向性麦克风的助听器，听损者更愿意使用带方向性麦克风的助听器。当然有利也有弊，不足的地方在于由于单纯的方向性麦克风降噪或者说传统的自适应方向性系统只能消除一个最大噪声源，且并不能准确地区分言语声和噪声，最终采用自动降低增益的方法来保障信噪比，就很有可能会牺牲用户对有效言语信息的收取以及识别，所以目前又推出多通道自适应方向性技术(multi-band adaptive directionality)，这样就可以同时消除多个不同频率区间的噪声源。该系统在每一通道有独立的自适应方向性极性，如在图2-12中有15个通道的独立自适应方向性极性。
图2-12 15通道独立自适应方向性
该系统不仅可以通过声音的响度来评估，还可以通过对每个通道的信噪比(S/N)来评估声音的增益。该系统也可以评估来自背后的声音主要是言语声还是噪声，如果评估出来自背后的声音是言语声，助听器就不会衰减该频率通道的增益，而普通的方向性系统仅通过输入声音的响度来处理。
(四)方向性麦克风的匹配
方向性麦克风使用几年以后，由于元器件的位移、湿气、皮屑、尘埃甚至助听器长时间的闲置，都会影响麦克风的匹配。此外，使用非自适应方向性麦克风的助听器，发型、头型、帽子等也会影响助听器的匹配，从而使具有方向性麦克风的助听器一直未能很好地推广，由于麦克风之间严重的不匹配，其传声效果比全方向性麦克风更差。
对某一特定声音的灵敏度相对于其他方向平均灵敏度的比例称为方向性指数(direction index, DI)。方向性指数用分贝表示。在自由场中，完美的麦克风匹配在超心形定向模式下，其方向性指数为6dB。
提高1dB的方向性指数(DI)将会提高约10%的言语可懂度。图2-13为方向性麦克风在不同匹配程度下的极向模式图。
图2-13 方向性麦克风在不同匹配程度下的极向模式图
目前，随着助听器数字技术的不断发展，研究人员发明了一种新技术——智能动态麦克风匹配技术。它的工作原理是系统不断地监测两个或多个麦克风的输出，并加以校正，使几个麦克风的信号输出大致相同。该系统能够区分麦克风的暂时变化和长久变化，通过校正使之与正常麦克风之间的偏差逐渐变小，直到完美匹配，并保存最新数据。
声音响度上极细微的差别也对助听器的定向起到关键性作用。因此，动态麦克风匹配的调整精度需达到0.1dB。
有了这项技术，大大延长了方向性麦克风的使用寿命，有利于方向性麦克风在助听器领域的推广。当然，这项技术并不能校正严重的不匹配，因此，使用时的清洁与保养仍是首要问题。
另外，由于硅麦克风在不同温湿度下的性能一致性好，所以特别适合用于方向性麦克风，有利于提高方向性麦克风的效果。