利用3D打印技術(shù)制作高端聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室麥克風(fēng)，成本僅200元

2022年6月21日，南極熊獲悉，聲學(xué)工程師Peter Riccardi通過3D打印技術(shù)，自己設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)價(jià)格不到200元人民幣的，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別麥克風(fēng)。

高端實(shí)驗(yàn)室級(jí)麥克風(fēng)，是聲學(xué)家或聲學(xué)工程師的必備工具，該設(shè)備在工作期間可捕獲精準(zhǔn)的物理信號(hào)。但是，普通人很難接觸到這種設(shè)備，應(yīng)為它的價(jià)格普遍較貴。例如PCB Piezotronics等知名制造商，提供的電容式麥克風(fēng)售價(jià)約為1000美元（6655元人民幣）。

△3D打印麥克風(fēng)的總成本不到200元

Riccardi解釋道：“品牌麥克風(fēng)質(zhì)量相對(duì)一流，但對(duì)于業(yè)余愛好者和發(fā)燒友來說，他們因該有其它選擇?，F(xiàn)在，使用3D打印技術(shù)，可以讓你花很少的錢獲得媲美的性能?！?br />
該設(shè)備采用了3D打印外殼和四個(gè)內(nèi)部MEMS麥克風(fēng)，旨在成為那些專業(yè)設(shè)備的完美替方案。盡管成本僅為30美元（200人民幣），但這款麥克風(fēng)在20Hz至20kHz的音頻波段上，具有類似的噪音底面、頻率響應(yīng)、平直度和靈敏度。

設(shè)計(jì)和3D打印麥克風(fēng)
關(guān)于原型的基本制作過程，工程師將電子設(shè)備分成兩塊板，第一塊是MEMS載板。四個(gè)MEMS麥克風(fēng)安裝在圓形PCB上，其中包括一系列小通孔焊盤，用于所有所需的電源和信號(hào)連接。第二塊板是主板，它容納了MEMS輸出的所有輸入和信號(hào)調(diào)節(jié)。

然后，需要將電路板固定到機(jī)械組件上，這就是3D打印的用武之地。Riccardi在三維軟件中設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的圓柱形外殼，并使用PLA將組件分為兩部分進(jìn)行了3D打印。它的形狀和尺寸旨在模仿直徑僅為0.5英寸的品牌麥克風(fēng)。

他補(bǔ)充說：“由于整個(gè)機(jī)械組件是弧形的，因此非常堅(jiān)固，可以隨意折騰而不必?fù)?dān)心損壞或外殼破裂。但MEMS載板的開口未來將會(huì)進(jìn)行整改，因?yàn)閷娱g粘合度不夠，且具有應(yīng)力集中的缺陷。但是，目前它沒有任何問題。”

△3D打印的PLA外殼分為兩部分

它的性能是否優(yōu)于商用麥克風(fēng)？
一次使用四個(gè)MEMS麥克風(fēng)的決定是經(jīng)過深思熟慮的。帶有電壓降的電氣系統(tǒng)，將不可避免地產(chǎn)生電噪聲，這會(huì)破壞信號(hào)并使它們難以讀取。這種噪聲是隨機(jī)的，但可以將其平均以減少其影響。

通過將四個(gè)MEMS元件（噪聲源）與小電阻并聯(lián)在一起，可以降低麥克風(fēng)輸出的本底噪聲，從而輕松提高信噪比。典型的電容式麥克風(fēng)具有出色的信噪比，靈敏度約為50mV/Pa。

△正在半消聲室中測(cè)試的3D打印麥克風(fēng)

為了測(cè)試3D打印麥克風(fēng)的性能，Riccardi在半消聲室（一個(gè)非常安靜的房間）中完成了測(cè)試。他使用NI NI 4431數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將該設(shè)備的頻率響應(yīng)和噪聲測(cè)量值，與PCB Piezotronics 378B20自由場電容式麥克風(fēng)進(jìn)行比較。

結(jié)果出人意料。Riccardi的低成本麥克風(fēng)在音頻頻帶中，具有足夠平坦的頻率響應(yīng)，而其靈敏度被證明對(duì)于實(shí)際測(cè)量來說足夠高，盡管低于PCB。然而，在200Hz以下，3D打印麥克風(fēng)的性能實(shí)際上比其它同類產(chǎn)品略好。

他說，“未來，需要進(jìn)行更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)來表征麥克風(fēng)，初步結(jié)果非常有希望，而且價(jià)格讓人無法拒絕?！?br />
可在Riccardi的Hackaday頁面上找到，關(guān)于該項(xiàng)3D打印麥克風(fēng)的詳細(xì)信息和可下載文件。(點(diǎn)我傳送門獲取更多信息)

消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)的興起，使世界各地的創(chuàng)意人員和愛好者能夠，以相對(duì)較低的成本開發(fā)可迭代的新產(chǎn)品。今年早些時(shí)候，業(yè)余玩具制造商Riskable，開發(fā)了一種用于PC鍵盤的創(chuàng)新鍵開關(guān)機(jī)制。完全開源，可以在家中使用任何普通的FFF 3D打印進(jìn)行機(jī)制造。