MEMS 麦克风广泛应用于手机、笔记本电脑、智能手表等各类消费电子产品中。虽然这些小巧的声学传感器能够处理在音调、音色和应用场景方面差异巨大的声源，但风噪声引起的失真自该技术问世之初，便一直是其设计中的一大难题。
攻克风噪频谱
微机电系统（MEMS）技术以其高信噪比著称，这使得一些环境噪声能被过滤掉，比如暖通空调系统的微弱嗡嗡声，或是办公场所的背景交谈声。然而，风噪声往往会引入一定程度的失真，导致原本清晰的录音变得难以辨认。对于那些依赖语音助手的电子设备（如智能手机和扬声器系统）而言，这种失真会是一个更棘手的问题，因为风造成的干扰甚至会引发设备的功能性故障。
为了扫除这一障碍，Sonos 公司的音频工程团队专门为 MEMS 麦克风开发了一套仿真工作流程，以预测横向气流速度如何影响风噪频谱，并评估不同入口的几何结构在抗风噪方面的有效性。
Sonos 的仿真方法
麦克风的作用是将声能转换为电信号，但为了准确完成这一转换，麦克风振膜必须保持足够的“开放”状态，以便声波能够顺利抵达。而入口的几何结构，直接决定了麦克风与周围潜在流动的空气之间的相互作用方式。为了观察气流流经麦克风系统时的频谱特性，Sonos 团队在 COMSOL Multiphysics® 软件中构建了一个麦克风模型。
该模型由直接影响麦克风声学性能的基本组成——其中麦克风本体、粘合剂以及电路板厚度在整个测试过程中保持一致。团队利用软件的 气动声学流动源 多物理场耦合功能，将流体动力学（采用大涡模拟，即 LES）与声学（采用压力声学）分析相结合，计算流致噪声。该模型能够根据流经麦克风入口处的气流速度以及端口几何形状的变化，预测麦克风振膜处的总声压级和压力频谱。
团队使用软件模拟了风从入口流入，流经麦克风，最后从出口排出的全过程。在每次测试中，团队都会改变不同圆柱形和圆锥形麦克风端口的直径。结果表明，麦克风入口的形状确实会影响麦克风腔体内的风噪，尽管与其他因素（如声学网罩）相比，端口形状对风噪性能的影响并没有那么大。结果还证实，在优化后的设计中，麦克风处的压力降低，从而捕捉到的风噪也更少。
此外，该团队评估了噪声频谱如何随以下风速变化：
- 2.4 m/s
- 3.0 m/s
- 4.0 m/s
- 5.0 m/s
正如预期的那样，2.4 m/s风速下的仿真结果产生的噪声水平最低，而 5.0 m/s风速下产生的噪声水平最高。仿真结果与团队基于缩放定律的解析方法做出的预测非常吻合，因为模拟成功捕捉到了由流速驱动的拐点频率偏移。
实验验证
将预测结果与实验原型进行对比验证是开发过程中至关重要的一步。Sonos 团队开展了一系列物理实验室测试，以确认模拟结果的准确性。
团队在原型入口处产生了层流，以建立一种稳定且可重复的风流评估环境。麦克风堆叠组件被安装成使其外表面与周围的硬平面齐平，同时让单一角度的气流垂直吹向麦克风。在此装置中，团队测试了多种端口的几何结构。
结果对比
仿真与实验测试的综合结果提供了极具价值的宝贵见解——两种方法均证实，风速在很大程度上决定了风噪频谱的范围。更具体地说，研究确认了高流速会导致涡脱落频率发生偏移。两者结果的高度一致性，也验证了 COMSOL® 模型具备捕捉风致噪声中主要物理机制的能力。
圆柱形入口在四种风速下的归一化声压级。
然而，在分析不同入口几何结构的影响时，团队意识到，与仿真结果相比，实验室测量结果显示，在相似但不完全相同的条件下，不同几何结构之间的差异微乎其微（例如，仿真为了简化建模采用了滑移壁面条件，而实验室实验则采用无滑移条件）。这种不一致表明，虽然该模型能够可靠地反映由流速驱动的频谱趋势，但未能完全捕捉到几何结构如何影响气动声学耦合的细节。一个可能能够阐明模型与实验结果之间差异的因素是，COMSOL® 模型中麦克端口上方未包含声学网罩。研究发现，在实际的系统中加入声学网罩能显著减少气流引起的波动，这表明在未来的研究中，对声学网罩进行建模可能是提高模型与实验之间预测精度的必要补充。
最终，Sonos 的音频工程师得出结论：该仿真框架有利于为 MEMS 麦克风的设计提供早期指导，有助于识别最坏情况，并能减少对昂贵原型制作的需求。这项研究不仅深入揭示了流速与风噪频谱之间的关系，还为验证模拟结果和建模假设的重要性提供了一个鲜明的例子。
进一步学习
想要了解这项研究的更多信息，请阅读 Sonos 团队的完整论文，该论文在2025年 COMSOL 用户年会（波士顿站）上荣获了最佳论文奖！这篇论文详细阐述了该团队的仿真方法和研究成果。
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