麦克风和振动传感器是同一台仪器对着两种不同材料。一个读声音在空气里造的压力波，一个读机器在金属里造的加速度，两个都交回一串代表机械运动的数字。底下的物理是同一套物理。变的是介质、要紧的频率，还有数据手册印在首页上的单位。

这条共同的根，正是把它们放一起讲的理由，因为选型的问题彼此押韵。麦克风看它能分辨的最小声音和不削顶能承受的最大声音，这两者之间的差就是它的动态范围。振动传感器看的是换了身衣服的同一个差，底噪对满量程加速度，再加上决定它连哪些机械故障都看得见的带宽。按应用需要的跨度、它生活的频段、以及把结果运走的接口来选，器件就从需求里掉出来，而不是从宣传里。一个又响又轻的场景要的是范围，一个高频故障要的是带宽，一个电池节点要的是低平均功耗，很少有一颗件每一栏都拔尖。

怎么选一颗数字 MEMS 麦克风

第一个岔路是接口，在别的规格还没开口之前，它就把四颗件分成两个阵营。PDM 麦克风以几兆赫流出一个一位信号，模拟波形编码成那条快流里"1"的密度，主机得跑一个抽取滤波器把它变回普通采样，省引脚、费处理器。I2S 麦克风把这个转换做在片上，在标准音频总线上时钟出成品的多位采样，所以两颗共用一条总线组成立体声对、主机一点算术都不用做。这个选择波及整个设计：PDM 适合一颗喂给专门解它的编解码器的小件，I2S 适合一颗想拿到就能用的音频的单片机。PDM 还让主机能扼住时钟、拿带宽换功耗，这个杠杆 I2S 不给；而 I2S 替处理器省掉 PDM 每个采样都强加的稳定抽取负担，所以阵营决定的不只是走线，还有音频的活儿落在哪。

ICS-43434 是一颗高信噪比数字 MEMS 麦克风，I2S 输出，它的数字是大约 65 分贝的信噪比，让它能在一个安静房间里分辨出声音，而差一点的件只听得见自己的嘶声。信噪比是决定多微弱的声音能活着走进数字的那个规格，高信噪比把一颗远场拾音的麦克风和一颗只有嘴贴着栅网才管用的麦克风分开。它把成品采样以最高二十四位字时钟到 I2S 总线上，组成立体声阵列做定位说话人的波束成形，除了一个时钟对主机别无所求。它的频响在语音频段平直，低自噪把底噪压住，正合远场阵列把好几颗的输出连同噪声一起相加的场合，所以它成百万地出现在智能音箱和语音遥控里。

INMP441 是一颗 I2S 输出的数字麦克风，想把音频送进单片机、又完全不要模拟级时，人们第一个伸手拿的就是它。它带同样的片上转换，输出标准总线，用一个引脚选左右声道，一对立体声落到一组线上。它一个高通滤波器在片上甩掉直流和低频隆隆声，信噪比守在 61 分贝上下、频响在语音频段平直，单电源供电、电流小到够一个电池玩具用。它的指标比最高档低一档，这正是它的用处：它是那颗可靠的、有文档的、被到处克隆的入门麦克风，每个示例工程和开发板都默认它，一个设计用着它，直到出现一个它满足不了的要求。

IM69D130 做高动态范围的麦克风采集，动态范围就是它存在的全部理由。它把一个低底噪和一个高声学过载点配在一起，过载点就是信号开始削顶的声压、接近 130 分贝，所以同一颗件分辨得出耳语、也扛得住一个会拍平普通麦克风的声音。它底噪和那个天花板之间的跨度达到约 105 分贝，相位一直到低音都保持平直，这在好几颗件喂一个把它们输出相加、又惩罚任何不一致相位的波束成形器时很要紧。这个跨度，正是声音不可预测时设计需要的：一台既录安静谈话又录枪声的执法记录仪、一架飞在吵闹旋翼上的无人机、一个机器旁的工业监测器，凡是响的和轻的从同一个栅网进来、两者都得干净不失真地回来的地方。

MP34DT05 是一颗小尺寸 PDM 麦克风，在主机已经备好 PDM 输入的地方，它靠尺寸和集成度挣到位置。它小到能塞进笔记本的边框或可穿戴的边沿，把一位信号流给一个专门抽取它的编解码器或单片机，拿主机侧的滤波工作换一个 I2S 件比不了的占板面积。它的时钟从睡眠监听的低几百千赫一直到全带宽的几兆赫，所以同一颗件能按命令拿分辨率换功耗，全向拾音从边框朝着的任何角度收声。它是板面紧张、而芯片上又已经有个 PDM 外设的选择，解码不额外花钱、麦克风藏在放不下更大东西的地方。沿着一条边排几颗，就给笔记本它把拾音指向说话人、把房间其余调小所需要的空间图像。

麦克风住在两堵墙之间

每张麦克风规格书都是一个关于两堵墙和墙间房间的故事。下面那堵墙是底噪，等效输入噪声，没有声音时器件自己发出的微弱电嘶声，任何比这嘶声更轻的声音都丢在它里头。上面那堵墙是声学过载点，输出不再跟着输入走、削成失真的那个声压级，任何比它更响的声音都被绞碎。两墙之间的距离是动态范围，是决定一颗麦克风能不能在一个场景里既不让响的部分失真、又不让轻的部分消失的那个规格，所以一颗高动态范围的件，在工程师无法选择世界有多吵的世道里，挣得起它的溢价。信噪比是同一堵下墙对着一个参照音测出来，所以报 65 分贝的件比报 60 的底噪更安静，而分贝是对数的，几个分贝就是能活下来的最微弱声音的一大变化。灵敏度，按相对某参照的分贝报，只定信号坐在两墙之间哪里，不定两墙隔多远，把灵敏度读成质量正是这两堵墙的图要治的常见错误。

响也好轻也好，先撞上的那堵墙才算数。

监测机器上的振动

振动传感把空气换成金属，把同一个想法对准一个轴承。一台健康的电机在它一直哼的那几个频率上哼，而一个故障会把自己写进振动里、变成新的频率，远在它响到能听见、热到能闻见之前。轴承滚道上的一道裂纹在一个由几何和转速定的频率上鸣响，常常好几千赫，转轴转速的谐波在更低处带着自己那套不平衡和不对中的故事。趁早抓住它是状态监测的全部前提，状态监测就是读一台机器的振动、在它失效之前安排修理的做法。这个方法靠对比工作：机器确知良好时取一条基线，之后每次读数都对着它查有没有从前没有的谱线。难处在带宽：一颗只读到几百赫的传感器，测倾角绰绰有余，却对宣告故障的那个千赫量级特征聋着，所以干这活的振动件是故意做宽的。

ADXL1002 做宽带振动测量，单轴加速度计，平直到大约十千赫、共振在二十一千赫附近，模拟电压输出把原始波形交给任何数字化它的东西。它的低噪声密度，每根号赫兹几十微 g，让它能分辨一个骑在大振动上的小振动，主导的转轴旋转底下那个微弱的轴承音。模拟输出是个有意的选择：它把件放在主机已经有一个好转换器、又想要未经处理信号做自己分析的地方，一个读着将坏轴承早期特征的高频机器监测器，那条又宽又平的频段就是全部价值。它在正负五十 g 之内才削顶，余量够一个损坏轴承甩出的尖锐冲击，又因为是单轴，它要安装的人把它对着故障说得最响的方向，通常是轴的径向。

IIS3DWB 给状态监测做宽带振动采集，用一个数字接口和三个轴解同一个问题。它带一条平直到六千赫开外的响应，输出数据率在每秒两万六千采样以上，远超一颗通用加速度计，把结果经 SPI 流进一个主机分块读的缓冲。片上 FIFO 是让它实用的那个特性：器件趁处理器睡着把缓冲填满，主机醒来排空一批、跑它的频率分析，平均功耗低到够一个螺在泵上靠电池过好几年的无线监测器。它是专门为预测性维护节点造的件，三个轴、宽带、低平均功耗得同时成立。它的量程到正负十六 g、噪声密度在那条宽带上一直低，所以一个小的高频音在机器那个大的低频晃动旁边活得下来，三个轴不管故障往哪个方向推外壳都抓得住，省了安装的人事先猜轴向。

带宽决定你能看见什么

把麦克风和加速度计串起来的那一课是：带宽和底噪一起定下一颗传感器能感知什么，再多的处理也找不回传感器从没采到的东西。一颗带宽限到电话质量的麦克风，事后无法被磨成高保真；一颗在几百赫滚降的加速度计，在固件跑起来之前就把轴承故障扔了。采样得够到信息所在的频率，语音是几千赫的话音，音乐是二十千赫的听觉上限，轴承故障是裂纹鸣响的好几千赫，而采样率得过那个顶频两倍，不然信息折回来变成混叠、下游任何滤波器都拆不开，所以一颗带宽选窄了的件，是一次在答案到达之前就结束的测量。滚降是个斜坡不是悬崖，所以一颗平直到十千赫的传感器，在那频段顶上已经在衰减了。底噪定另一个极限，能越过嘶声的最小信号，两者一起画出传感器能在里头干活的那个盒子。下游一切，滤波、变换、阈值，重排盒子里的东西、不从外头添一分。

位深对幅度扮演带宽对频率扮演的角色。每一位分辨率买来最小步进到满量程之间约六分贝的范围，所以一条十六位流比一条八位流装下多得多的安静细节，一颗宽动态范围的麦克风搁在一个粗到装不下它的转换器后面就浪费了。这个匹配两头都讲：一颗安静的传感器需要那些位来显示它听见了什么，那些位也需要一颗安静的传感器，否则它们只是把噪声分辨得更细。一条十六位采样若来自一颗吵闹麦克风，装的真信息不比十二位多，低位填的全是嘶声。

接口随后理顺其余。PDM 和 I2S 运音频，模拟和 SPI 运振动，对的那个取决于主机上等着什么：一个有 PDM 口的编解码器要 MP34DT05，一颗单片机要 I2S 件，一块有空闲转换器又胃口要原始数据的板要模拟的 ADXL1002，一个低功耗数字节点要带 FIFO 自己做缓冲的 IIS3DWB。那颗合上主机已经会说的总线的传感器，省下一个花功耗、引脚和代码的翻译层。一颗 PDM 件搁在一片没有 PDM 外设的芯片后面，逼出一个软件抽取器、烧掉预算想用在别处的周期，所以总线匹配是个在它成为传感器决定之前就先成立的系统决定。

于是选择从信号倒回到件。空气还是金属，定下麦克风对加速度计；场景会产生的最响和最轻，定下动态范围；带着信息的最高频率，定下带宽；主机上已有的总线，定下接口。这四样选对，剩下的就是对一个干净进来的信号做算术。带宽或底噪选错，事后再聪明也修不好一段从没装下答案的录音。