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通过了解设计原理选择合适的传声器
更新时间:2017-10-26 15:54:50 编辑:鱼儿 文章来源:音响网 调整文字大小:【

对于某个特定应用来说,什么类型的传声器最合适?我们应该选择电容传声器还是动圈传声器,是选择全指向还是心型指向传声器,选择频响曲线平坦的还是拥有特定频响特性的?本文将会探讨各种类型话筒的优点和缺点,并将这些优/缺点与各种类型的应用场景关联起来,通过了解这些方面的只是能够帮助您正确的选择传声器。

理想状态下,应该会有一只适用于所有应用场合的通用传声器。但实际上并没有这么一种传声器,因为每一个应用场合都有不同的使用需求。理想当中的功率放大器或扬声器拥有线性传输特性,与之不同的是传声器的频响特性通常是专门为了某些特定类型的应用进行优化的。

例如,一个古典音乐录音工程师为了精确地复制音色,需要的是一个频响特性平坦的传声器。但是,一个流行音乐制作人可能想要的是一个高频部分被提升的传声器来获取较高的响度。

对于古典音乐录音工程师来说,41 Hz的信号是音乐;而对于语音广播工程师来说,这个频段的声音是噪音。因此,用于古典音乐录音的传声器拥有良好的低频响应特性,而用于语言信号拾取的传声器则在低频段采用了滚降设计。

与之相近的是,舞台上的歌手通常喜欢使用可以提升低频(近讲效应)的传声器使声音听起来更温暖、更有力度。而具有同样特性的传声器在录音室使用又未经均衡处理的话,则会使乐器的声音听起来浑浊。

此外,根据不同的应用需求还存在着多种不同类型的传声器指向特性设计。全指向传声器 – 拾取所有方向上的声音,适用于拾取演奏厅的混响声。相对于全指向传声器来说,单一指向传声器拾取的混响声和声泄露较少,适用于当外部噪音对声音拾取质量造成影响的场合,譬如现场录音。

这些设计上的变化使得传声器布局的设计和使用都变得非常有趣。

每一只传声器都需要具备的特性

我们刚刚谈到的是对不同频响特性和指向特性的传声器的需求。但是,所有传声器都需要具备以下共性:
  低本底噪声
  高动态(能够在不失真的前提下承受高声压)
  较好抗射频干扰能力
  较低的机械噪声(手持时的摩擦)
  较低的风噪和pop噪声(爆发性的呼吸声)
  最小化偏轴声染色(在轴向和偏轴方向的频响特性保持一致)
  高灵敏度

这些特性对于获取清晰地声音来说是必要条件:无噪声、无失真、在偏轴方向无声染色。其他一些特性需求,例如:
  体积小(某些时候)
  强指向性(某些时候)
  坚固耐用
  低成本

不幸的是,我们不可能把所有上述需求集中在一个传声器内,因为这些特性需求之间存在冲突。譬如,如果使用较大的隔栅网罩来消除pop噪声的话,那么传声器的整体尺寸就会变得太大;如果通过加入内置衰减电路来提高动态余量的话,那么信噪比会被降低。

总的来说,每一个设计上的决定都是出于折衷考虑。在某一个方面的特性获得提升意味着在另一个方面的特性受到限制。

本文的目的是描述这些设计上的折衷,使传声器用户能够更好的理解哪些特性在给定使用场景当中更为重要。通过了解设计上的折衷,我们能够更明智的选择适当的传声器。

传声器设计上的折衷
  传声器类型概览
  首先,让我们来了解一下不同类型的传声器如何将声音转换为电信号。应用于专业领域的传声器依据它们的工作原理可分为两种类型:动圈或电容传声器。在动圈传声器当中,通过一个可移动的导体切割磁力线来产生电信号。动圈传声器又分为动线圈传声器和带式传声器两种。

动线圈传声器(通常被称为动圈传声器)如Fig 1所示。一个与振膜连接的线圈悬挂在磁场内。当声波使振膜震动时,线圈也会在磁场内震动从而产生与输入声波相近的电信号。

带式传声器如Fig 2所示,一块非常薄的金属箔片或带状金属片悬挂在磁场当中。声波使悬挂在磁场内的金属片产生震动,并由此产生电信号。

电容传声器如Fig 3所示,一块可以导电的振膜和一块金属板(背面电极)分别与电容的两极相连。声波使振膜震动的时候改变了振膜与金属背板之间的体积,这种变化改变了电容量并由此产生于输入声波相近似的电信号。

振膜与金属背板可以通过外接设备或通过内嵌于振膜或金属背板的永极体供电。
  如何在电容、带式和动圈传声器之间选择
  物理结构的差异使这三种类型传声器形成了不同的性能特性。

当你有以下使用需求时,较好的选择是电容传声器:
  极佳的瞬态响应(例如,用于打击乐器、大镲、原声乐器和大编制合奏的声音拾取等)
  高灵敏度(用于对原生音量较小的声源进行远距离拾取)
  工作频段较宽,频响曲线平滑(适用于大多数要求忠实重现声源自然音质的工作室)
  较小的体积(领夹式传声器或界面传声器)

当你有以下使用需求时,较好的选择是动圈传声器:
  较慢的瞬态响应(对过多细节实现衰减,例如对木管乐器或铜管乐器近距离拾音)
  较低的价格(通常来说,动圈传声器价格低于电容传声器)
  坚固耐用
  承受高声压的能力(例如,用于电吉他音箱或鼓组的拾音)
  低本底噪声
  受温度和湿度的影响较小
  更高的可靠性(不需要供电)

当你有以下使用需求时,较好的选择是带式传声器:
  温暖、平滑的声音(例如,在对铜管乐器近距离拾音时可以使声音听起来没那么“尖锐”)

需要注意的是,上述不同类型传声器的性能属性是总体趋势。譬如,有一些动圈传声器同样具备平滑的频响特性或高灵敏度特性,有些电容传声器则具备较好的动态余量并且坚固耐用。上面描述的传声器选择是基于各类型传声器的共性提出的。

不同类型换能器的频响特性

在下面的图表当中,最左侧一栏显示的分别是四种换能器与频率相对应的振膜速率(实线)或与频率对应的振膜位移(虚线)。

中间一栏显示的分别是压力阶差(在振膜前端和后端的声波压力差)对振膜震动的关系。对于全指向传声器来说,振膜的后端是密封的外壳,因此压差与频率之间的关系是恒定的。对于单指向或双指向(压力阶差)传声器来说,振膜的后端会受到声波的影响,并且与到达振膜前端的声波之间存在时间差,因此压差随着频率的提高而增加。

右侧一栏显示的是振膜速率和压力阶差相加之后的结果(动圈传声器)或振膜位移与压力阶差相加之后的结果(电容传声器)。相加之后的结果就是传声器的振幅/频率响应特性。

图A所示为全指向动圈(全指向动线圈)换能器。这个类型的换能器对中频共振存在阻尼,因此振膜速率与频率变化之间的关系保持了相对恒定。输出电压与振膜速率整成比。振膜正反两端的压力阶差与频率变化之间也处于恒定状态,这是因为振膜的后端位于密封空间内。因此,这一类型的传声器在大部分音频信号频率范围内都能够保持平坦的响应特性。

图A

图B所示为全指向电容换能器。这个类型的换能器对高频部分的共振存在阻尼。振膜的速率每倍频程提升6 dB,因此振膜位移幅度与频率变化之间的关系保持恒定。输出电压与振膜位移幅度成正比。压力阶差与频率变化之间的关系保持恒定,因此在大部分音频信号频率范围内保持平坦的频率响应特性。

图B

图C所示为单一指向的动圈换能器。这一类型的换能器对于低频共振存在阻尼,其振膜速率在大部分频率范围内都保持了每倍频程下降6 dB的趋势。输出电压与振膜速率成正比。但是,由于压力阶差在中高频段出现每倍频程提升6 dB的现象,因此在大部分音频信号频率范围内仍然保持了平坦的频率响应特性。

图C

图D所示为单一指向电容换能器。这一类型的换能器对于中频共振存在阻尼。其振膜速率与频率变化之间的关系保持恒定,振膜位移则在大部分频率范围内保持每倍频程下降6 dB的趋势。输出电压与振膜位移成正比。但由于压力阶差在大部分频率范围都保持每倍频程提升6 dB的趋势,因此仍然能够获得平坦的频率响应特性。

图D

各类传声器优点和缺点

让我们从几个方面来对传声器的性能进行检测,看一下不同类型的传声器在每个受测方面的有点和缺点。

瞬态响应 – 由于电容传声器的振膜质量较小并且阻尼较高,因此对于变化速度较快的声源来说它们的响应速度比动圈传声器更快(瞬态)。使用性能出色的电容传声器时,我们可以听到敲击镲片时的“砰”声或者弹奏吉他和弦时拨弦的声音。电容传声器能够提供清晰、细节丰富的声音,使得它们非常适合用于镲片、军鼓、原声乐器和人声录音等用途。

通常来说,动圈传声器的瞬态响应弱于电容传声器。因此,动圈传声器可以用于需要对细节过于丰富的声音进行“软化”的应用场合。

频率响应 – 由于换能器结构设计相对来说较为简单,电容传声器通常来说能够提供更为平滑的频率响应特性。同样,由于结构较为简单,带式传声器的无峰值频响特性使其广受赞誉。此外,带式传声器的金属箔片振膜被设计为波纹型以降低破损的几率。

与之相反,除了一些品质非常出色的动圈传声器之外,一般来说动圈传声器的频响特性没有电容传声器或带式传声器那么平坦。动圈传声器的换能器结构中包含一个可与振膜活塞机构脱离的线圈,或者说可以前后运动的线圈。这个结构特性使得动圈传声器的频率响应特性存在峰值的限制。此外,由于线圈在声学上将振膜机构分割为两个声腔,从而与磁隙惯量产生共振并导致频率响应异常。电容传声器和带式传声器的振膜同样为可分离结构,但通常来说对频率响应的影响程度较低。

由于振膜质量较小,因此电容传声器通常能够提供比带式或动圈传声器更出色的高频响应特性。尽管带式传声器的振膜质量也较小,但由于振膜前端和后端之间的声学相位干涉作用会导致在高频区域形成抵消。这是由于高频部分的波长很短,在带式振膜两侧的信号有可能会形成极性相反,因此会产生声学抵消现象。由于结构设计的原因,这个问题在电容或动圈传声器当中并不会出现。在振膜后方的高频能量或被传声器外壳衰减(全指向传声器),或被声学相位偏移网络消除(单一指向传声器)。

动圈传声器的高频响应特性可以通过设置在振膜前方的Helmholz谐振器实现扩展。Helmholz谐振器是拥有1个或多个声波入口的小尺寸气室,在高频部分产生的谐振能够改善动圈传声器的高频响应表现。但是,这个设计仍然有一定的局限性,在高于谐振器共振点的频段会出现衰减以及更高程度的相位偏移。Helmholz谐振器也经常应用于电容传声器设计当中,但通常来说所需的高频能量提升会小于动圈传声器。

灵敏度 – 一般来说,电容传声器的灵敏度最高,其次是动圈传声器,而带式传声器的灵敏度最低。以下是这三种类型传声器较为典型的开路灵敏度参数:
电容传声器:-65 dBV(5.6 mV/Pa)
动圈传声器:-75 dBV(1.8 mV/Pa)
带式传声器:-80 dBV(1 mV/Pa)

电容传声器的灵敏度高于动圈传声器的原因是,电容传声器的换能器设计效率更高,并且内置了相应的前置放大器使其能够获得更高的增益。
电容传声器的输出电压可通过一下公式计算得出:

其中:
V = 通过电容器的电压
△V = 电压变量或输出信号电压
C = 振膜和背面电极之间的电容量,单位为法拉
△C = 由于振膜移动使电容的两极距离减少或增加,由此产生的电容量变化

电压越高,灵敏度越高。但是过高的电压会导致振膜由于静电斥力的原因被吸附在背面电极上,阻碍振膜的震动。

电容量变化越大,电压变化越大(也就是说,输出信号电压越大)。振膜的面积越大或振膜与背面电极之间的距离越小,电容量的变化越大。不幸的是,大尺寸振膜由于衍射等因素影响,容易在偏轴方向产生声染色;而降低振膜与背面电极之间的距离非常困难并且造价昂贵,需要在组装过程中非常小心的避免微尘颗粒进入振膜和背面电极之间的空腔。因此,传声器制造厂商必须找寻一个适当的折衷解决方案。

为了获取足够的灵敏度,动圈传声器同样需要从设计上寻找一个这种解决方案。动圈传声器的输出电压公式如下:

其中:
e = 输出电压(感应电动势)
B = 磁通密度,单位为特斯拉
l = 导体长度,单位为米
v = 运动速度,单位为米/秒

磁通密度越高,线圈的匝数越多,输出电压越高。但是,尺寸过大的磁体可能会在声学上影响频率响应特性,同时也会增加传声器的尺寸和重量。同样,线圈的匝数过多会增加动圈机构的质量,导致传声器对高频响应的劣化。如果通过缩小磁隙来获取更高的磁通密度的话,很难确保线圈不会与磁极产生摩擦。值得一提的是,例如钐钴磁铁等新型磁体材料能够以较小的体积产生较高的磁通密度。

带式传声器的灵敏度低于动圈传声器的原因是,带式传声器只有1个低阻抗导体(带状金属箔片)来产生电信号,需要大尺寸磁体和升压器来提升输出电压。此外,带状金属箔片依靠振膜正反两侧的压差(压力阶差)驱动,这种压差对于双指向性的带式传声器设计来说甚至小于单一指向设计的动圈传声器。

尺寸 – 与动圈传声器相比,电容传声器的体积可以小很多。动圈传声器需要一定体积的磁体和音圈才能够提供足够的输出电压,但即使振膜面积小于1cm2的电容传声器也能够提供足够的输出电压。

最大声压级 – 一个设计良好的动圈传声器可以承受非常大的声压而不会在输出端产生过多的失真。即使是非常高的声压也只会使振膜产生轻微的震动。但是电容传声器所使用的电器元件很容易由于换能器产生的电信号导致过载。如果在换能器和电器元件之间插入衰减器来避免过载的话(譬如,用来增加最大声压级承受能力),那么信噪比也会相应下降。如果传声器电器元件的动态余量采用最大化设计时,通常来说需要付出的代价就是消耗更多的电流和更高的本底噪声。换能器制造商必须对所有这些影响因素进行综合考虑,并根据实际应用需求来决定适合的设计方案。

本底噪声 – 由于没有需要外部供电的元器件,动圈传声器的本底噪声与电容传声器相比非常低。动圈传声器产生的开路噪声电压可通过一下公式计算:

其中:
E = 噪声信号电压,单位为伏特
k = 波兹曼常数(1.38 x 10-23 J/K)
R = 传声器的内阻,单位为欧姆
T = 温度,单位为开尔文
ΔF = 频率带宽,单位为赫兹

传声器输出阻抗(在一个特定频率的电阻,于传声器连接终端测量所得)越高,它的本底噪声越大。本底噪声可通过以下等式计算:

其中:
Vn = 噪声信号电压,单位为dBV
S = 传声器灵敏度,单位为dBV/μbar

例如,如果一个噪声信号电压为-133 dBV、灵敏度为-75 dBV/μbar的传声器,其本底噪声为16 dB SPL。这项数值是根据无计权测量结果进行计算的。如需要A计权参数则需要通过模拟人耳频响曲线的计权网络进行测量(在低于1 kHz以下的频率进行滚降处理)。根据A计权测量结果计算所的数值相对来说更接近人耳的听感。

一支本底噪声极低的电容传声器指标为14 dBA。如果一支电容传声器的本底噪声指标低于20 dBA的话,通常被认为是非常出色;如低于30 dBA,通常被认为是性能良好的电容传声器。

供电系统需求 – 电容传声器需要外接电源供应系统才能够工作,譬如电池或
外置的幻像电源系统。幻像电源是通过传声器连接器的pin 2和pin 3来传输的12 – 48 V直流电。传声器使用相同的两条导线接受幻像供电和发送音频信号。很多调音台都支持通过它们的信号输入接口为传声器提供幻像电源,用户只需要将传声器与调音台的输入端口连接就可以获取幻像电源。

与之相反,动圈传声器不需要任何供电系统就可以工作,因此可靠性更加高。

兼顾与耐用 – 一支设计良好的动圈传声器通常来说都非常耐用,并且可以在一定程度的恶劣使用条件下保持性能完好。一些现代的电容传声器也具备相同的耐用性,尽管它们复杂的电气组件可能看起来很脆弱。反之,带式振膜则非常脆弱,大风或恶劣的使用习惯都有可能导致振膜变形。

高温和高湿度都有可能导致驻极体损坏,但对动圈换能器来说则影响不大。过高的湿度会导致电容传声器的振膜与背面电极之间的狭小空间充满水汽,从而导致换能器失效。对于动圈换能器来说,线圈和磁体之间的空隙较大,因此在高湿度环境下受到的影响较小。

指向特性

不同类型的指向特性(有指向的拾取模式)同样有各自的优势和缺点。在进行进一步探讨之前,让我们来回顾一下常见的传声器指向特性。

指向特性概览

全指向传声器对从所有方向传来的声音具备相同的灵敏度;单一指向传声器则只对从一个方向传来的声音灵敏度最高(从传声器前方传来的声音,而对从侧面或后方传来的声音灵敏度较低);双指向传声器对于从两个方向传来的声音灵敏度最高 – 前方和后方,但会对从侧方传来的声音进行衰减。图4所示为不同类型的传声器指向特性。

图4

单一指向器可以细分为3个子类型:心型、超心型和混合心型指向。心型指向传声器对前方较宽角度范围内的声音灵敏度较高,在侧面的灵敏度衰减幅度为6 dB,后方的灵敏度衰减幅度为15 – 25 dB。超心型指向传声器对侧向声波的衰减为8.7 dB,并在轴向125度区域出现两个零拾取区域。混合心型指向传声器对侧向声波的衰减为12 dB,并在轴向110度区域出现两个零拾取区域。

由于它们可以隔离来自后方和侧向的声波,单一指向和双指向传声器能够帮助用户去除不需要的声音,例如房间反射声、反馈或声泄露(来自位于传声器偏轴区域的其他乐器)。这些传声器能够在各声轨之间保持良好的声隔离或分离度。

在混合心型传声器的声腔前端安装开缝管(波干涉管)之后就成为超指向传声器,例如枪式传声器或线性指向传声器。这些传声器通常用于电影制作、电视制作和新闻采访时对语音信号进行远距离拾取。

近讲效应

当与声源的距离非常近的时候,大多数单一指向和双指向传声器都会出现低频部分提升的现象。最常见的就是歌手在距离传声器很近的距离演唱时,声音会变得较为浑厚。这种由于距离声源较近而导致低频部分得到提升的现象被称为近讲效应。这种现象通常出现在single-D类型的单一指向传声器上,这类型传声器的振膜与前端和后端的声波入口距离固定。

近讲效应可以使鼓的声音变得更加温暖和饱满。但在大多数录音应用当中,近讲效应会导致乐器的声音或人声过于浑浊、不自然。为了降低近讲效应的影响,一些采用特殊设计的Multiple-D类型传声器开始出现;其他类型的传声器则通过内置的低频滚降开关来对低频提升现象进行增益补偿。当然,用户也可以使用调音台上面的均衡器来对过多的低频能量进行衰减,同时也可以衰减传声器拾取到的声泄露当中的低频能量。

选择指向特性最合适的传声器

全指向传声器的一些特性使它们非常适合在某些特性场合使用。在以下应用场合,使用全指向传声器是较好的选择:
  全向拾音
  拾取房间的混响声
  希望降低pop声(爆发性的呼吸声)对声音拾取的影响
  较低的机械噪声
  无近讲效应
  扩展的低频响应(电容传声器)
  相对来说较低的成本

在以下应用场合,使用单一指向传声器是较好的选择:
  有选择性的声音拾取
  避免房间混响声、背景噪音和声泄露的影响
  近讲效应对声音质量有帮助时
  与扩声系统配合使用时,获取更好的反馈前增益
  同步立体声拾音

在以下应用场合,使用心型指向传声器是较好的选择:
  对传声器前方较宽的区域对声源进行拾取
  对来自传声器后方的声音进行最大程度的隔离

在以下应用场合,使用超心型指向传声器是较好的选择:
需要实现前半区和后半区声音拾取差异最大化
寻求在隔离来自后方的声音(来自地面返送扬声器)和随机突发的声音(来自主扩声系统扬声器)之间的适当的平衡点

在以下应用场合,使用混合心型指向传声器是较好的选择:
  希望通过单一指向传声器实现侧向隔离最大化
  对房间混响、声泄露、反馈和背景噪声实现最大化隔离。混合心型传声器拥有最佳随机能量效率(对随机出现的突发性声音具有最佳隔离度)特性。

在以下应用场合,使用双指向传声器是较好的选择:
  需要同时拾取传声器前方和后方的声音信号,同时还需要对侧向的声音进行隔离(譬如,面对面的访谈)
  以轴向向下倾斜、吊装的方式拾取交响乐团坐席声音信号时,实现对侧向声音的隔离
  布鲁姆林立体声拾取方式

在以下应用场合,使用枪式传声器是较好的选择:
  从较远的距离拾取所需的声音信号
  在电影、电视和新闻制作中进行远距离拾音
  希望对背景噪声和房间反射声进行最大化隔离

需要注意的是,无论是电容还是动圈传声器都可以被设计为任意指向特性(除了双指向动线圈设计以外)。带式传声器要么是双指向设计,要么是混合心型指向设计。图5是根据换能器类型和指向特性划分的传声器分类表。

指向特性是如何形成的

在传声器振膜后方设置不同类型的气孔、气管和阻尼材料,通过这种方式可以使传声器对来自不同方向的声音的响应发生变化。

全指向传声器(电容或动圈)只在振膜前端采取开放式设计,因此振膜只对来自外界的压力产生响应。从所有方向到达振膜前端的声波压力都是相等的,因此对于从任意角度到达振膜前端的声音信号来说,传声器的输出电压是相同的,也就是说传声器对来自所有方向的声音信后具有相同的响应特性。但是,在高频部分全指向传声器的指向特性会变成双指向,这是由于对于声波的高频部分来说传声器本身就是一个障碍物。

与之相反,单一指向传声器(电容或动圈)在振膜的两侧都采用开放式设计。振膜通过其正反两面的压差驱动。在振膜的后端入口带有一个声学相位偏移网络(RC或RLC低通滤波器)。这个滤波器在其拐角频率以下会产生一个恒定的延时。这个恒定的延时就是使传声器产生单一指向特性的原因:声波不但从前端挤压振膜,同时也从后端入口挤压振膜,声波到达前端和后端的时间差异和后端入口处的相位偏移网络会产生相位偏移。因此,振膜同时受到到达前端的声波以及经过相位偏移的后端声波挤压(图6)。由于相位偏移在振膜正反两侧产生的瞬时压差驱动振膜进行震动。

从后方传来的声波通过两个路径到达传声器的振膜位置:1)绕过传声器腔体后到达振膜前端入口,2)通过后端入口和相位偏移网络。声音信号被加入了由于声波辐射需要绕过传声器腔体所产生的外部延时和相位偏移网络产生的内部延时(图7)。

在心型指向传声器设计中,内部延时被设置为与外部延时相等,因此声波同时到达振膜前端和后端。由于从前方传来的声波和从后方传来的声波极性相反,因此产生抵消现象,从而使得从后方传来的声波不会产生或产生非常小的输出电压。这就是心型指向传声器隔离后方声音信号的原理。

相位偏移网络仅对中高频以下的频段起作用。对高于中高频段的声音信号来说,传声器腔体本身就是一个物理上的障碍物,可以对来自后方的高频信号进行隔离

通过外部延时和内部延时的比例调整(通过调整声波入口的空间尺寸和声学优化),可以形成其他类型的指向特性。每一种指向特性都有一个特定的角度,在这个角度上两个延时相等(产生抵消)。双指向传声器的最佳抵消角度在侧面(偏离轴向90o),心型指向传声器的最佳抵消角度在后端(180o),混合心型指向传声器的最佳抵消角度为110o。

一般来说,传声器的指向特性可通过下列等式计算得出:

其中:
r = 在角度φ的输出振幅(当角度为0o时,r=1)
A/B = 内部延时与外部延时的比例,A+B=1
φ = 声波传入的角度,0o为声波从传声器轴向上传入(传声器正前方)

通过上面的等式可以得出以下结果:
全指向传声器:r = 1
心型指向传声器:0.5 + 0.5 cosφ
超心型指向传声器:0.366 + 0.634 cosφ
混合心型指向传声器:0.25 + 0.75 cosφ
双指向传声器:cosφ

需要注意的是,对于双指向传声器来说A = 0,因为这一类型的传声器没有相位偏移网络;对于全指向传声器来说B = 0,因为这一类型的传声器振膜的后端位于密封舱体。对于心型指向传声器来说,A/B = 1。

全指向传声器的优势

全指向传声器拥有的几项优势使它在常规应用场合经常会成为很不错的第一选择。由于结构简单(没有后端入口或相位偏移网络),全指向传声器的价格通常会低于指向性话筒,并且能够提供更为平滑的频响曲线。此外,全指向传声器对机械噪声和pop噪声的灵敏度比单一指向传声器低15 – 20 dB。原因在于,全指向动圈传声器的共振频率大约在500 – 1000 Hz范围内,并有针对性的采取了大幅度阻尼衰减处理。而单一指向传声器的共振频率大约在150 Hz,并且阻尼衰减处理幅度较小,因此低频机械冲击比较容易导致振膜震动。

对任何尺寸的全指向电容传声器来说,振膜机构的刚度都被控制在共振频率之下(通常来说在8 – 10 kHz)。振膜的速率在到达共振频率之前都保持每倍频程提升6 dB的特性(图8)。由于振膜位移产生的是层速度,因此振膜位移幅度在低于共振频点时与频率变化为恒定关系。输出电压与振膜位移呈正比,因此在低于共振频点时输出电压也与频率变化保持恒定关系。

换句话说,全指向电容传声器在低于共振频率的频段能够提供平滑的频响曲线(有意对低频进行滚降处理除外)。这一特性是所有尺寸规格的传声器的共性(尽管对于扬声器来说较小的尺寸意味着低频响应收到限制,但即使是微型全指向传声器也可以在低至约20 Hz的频段内提供平滑的频响曲线)。

图9所示为一个微型全指向电容传声器的振幅/频率响应曲线。

与之相反,采用指向性设计的传声器通常在低频部分出现滚降的趋势,特别是当距离声源只有几英尺时。这是因为,采用指向性设计的传声器振膜依靠振膜前端和后端的压差来驱动。对于声波中的低频部分来说,在振膜前端和后端形成的压力同相。由于作用于振膜两侧的瞬间压力几乎相等,因此振膜的震动幅度非常小,也就意味着输出电压非常低。

此外,全指向传声器相对于单一指向传声器来说,在离轴区域的声染色程度较低。全指向传声器在离轴方向出现声染色的表现为在高频部分出现滚降。振膜尺寸越大,高频能量滚降幅度越大。单一指向传声器的离轴区域声染色除了同样具备高频滚降的特征以外,还会在整个频响范围内出现波峰和波谷。这是由于到达振膜前端和后端的声波之间的相位关系与频率变化不一致所导致的。

振膜尺寸

在某些应用场合当中,大振膜(振膜直径超过1 cm)比小振膜有更多的优势,反之亦然。

选择合适的振膜尺寸

在以下应用当中,选择大振膜传声器是较好的选择:
希望采用指向性设计的传声器能够提供扩展的低频响应(通常来说)
降低对风噪和pop噪声的灵敏度
获得更高的灵敏度
获得更低的本底噪声
获得更高的信噪比

后面三个特性是相互关联的:振膜尺寸越大,换能器越能够提供比传声器本身电器元件所产的本底噪声能量更高的音频信号。

在以下应用当中,选择小振膜传声器(微型传声器)是较好的选择:
不希望传声器影响视觉效果(用夹子固定在新闻广播员身上或乐器上)
对持续移动的声源进行稳定一致的拾取(用夹子固定在新闻广播员身上或乐器上)
最小化离轴声染色对音质的影响(对一个宽角度声源进行拾取,例如大型合唱团或鼓组中的镲片)
在对声源采用界面拾取方式时,希望获得扩展的高频响应
在对声源采用界面拾取方式时,希望在整个频率范围内获得一致的指向特性

微型传声器的优势

对于尺寸较大的同类传声器来说,小型全指向传声器的离轴声染色程度较低(高频滚降)。原因在于:由于衍射的原因,轴向上的高频能量出现提升,而在离轴区域则不会出现提升。

当振膜直径等于1个波长时,相对应的频率能量提升最大。对于小振膜传声器来说,最大能量提升现象发生在可闻频段之上;大振膜传声器的高频能量最大提升现象通常发生在11 – 18 kHz,因此对于大振膜传声器来说,轴向和离轴区域的高频响应变化更容易被察觉。此外,小振膜传声器在离轴区域的相位差小于大振膜传声器,因此在其离轴区域的高频部分产生的抵消更少。简单的说,换能器尺寸越小,离轴区域的高频滚降幅度越小。

小型指向性传声器在离轴区域的声染色程度低于大尺寸指向性传声器。原因是:大尺寸传声器的指向特性在低频部分是通过相位偏移网络实现的,在高频部分则通过衍射实现;而小尺寸传声器的指向特性即便是在非常高的频段也是通过相位偏移网络实现的。

由于使相位偏移网络产生的相位差与通过衍射产生的相位差相等非常困难,因此大尺寸传声器的指向特性会随着频率的变化而发生变化。对于小尺寸传声器来说,指向特性在大部分可闻频段内都可以通过相位偏移网络进行控制,因此其指向特性与频率之间的关系能够保持相对恒定。由此产生的结果就是,小尺寸传声器在离轴区域的声染色程度低于大尺寸传声器。

图10显示了一支振膜直径为1.19-inch(3 cm)的心型指向传声器的指向特性随频率变化而发生变化的情形。图11显示了一个微型混合心型指向传声器在同样条件下的指向特性变化情况。从图中我们可以清楚地看到,尺寸较小的传声器的指向特性在频率变化时保持了较高的一致性,尤其是在前半区。

在被安装在一个反射面作为界面传声器使用时,小尺寸传声器能够提供比大尺寸传声器更平滑的高频响应特性。原理如下:在一些界面传声器的结构当中,传声器的换能器的轴线与边界平面平行,振膜的中轴略高于边界平面。因此,界面反射声到达振膜的时间晚于直达声,也就是说反射声与直达声之间存在时间差(图12)。

当直达声和反射声在振膜中心点进行融合时,会在高频部分出现相位干涉现象。振膜尺寸越小,延时也越小,并且产生最大抵消的频率越高。如果振膜直径为1 cm或更小时,产生最大抵消的频率就会出现在可闻频谱之上,因此采用这种结构设计的界面传声器在高频部分的频响曲线相对来说较为平坦。

在其他使用条件相同的情况下,小尺寸传声器在被水平放置在平面上时,相较于大尺寸传声器所产生的高频滚降幅度较小。

当传声器被向下指向安装时(换能器指向反射平面),会在振膜和平面之间形成一个细缝和复合腔体。这个细缝和腔体在声学上会构成一个RLC网络(低频滤波器),导致在高频部分出现滚降现象。传声器尺寸越小,声学腔体越小、细缝越短,因此在可闻频段内的高频滚降幅度也越小。

在作为界面传声器使用时,微型传声器在高频区域的指向特性的一致性优于大尺寸传声器。对于大尺寸传声器来说,由于界面反射产生的相位抵消发生在可闻频段内,同时这种相位干涉也会影响指向特性。

微型传声器的缺点

微型指向性传声器会在低频区域出现滚降现象,主要是由于对于小尺寸换能器来说需要较低的振膜震动阻尼来获得合适的灵敏度。但这个问题可以通过在传声器电气部分加入校正均衡(提升低频)或借助近讲效应来获得更平滑的频响曲线。因此,对于近距离拾音的乐器来说,低频部分的声音信号能够被忠实地还原。

传声器的灵敏度与振膜面积成正比。因此,相对来说小尺寸换能器的信噪比低于大尺寸换能器。小尺寸换能器的等效噪音通常为28 – 33 dBA,大尺寸换能器的等效噪声通常为14 – 18 dBA。

在实际应用当中,微型传声器较低的信噪比并不会产生明显的问题。安装距离非常近的微型传声器会从乐器接收非常高的输入声压,因此能够有效提高拾取信号的信噪比。另一个办法是将换能器安装在反射界面,直达声与反射声的耦合叠加会提供额外的6 dB输入声压。换句话说,表面安装方式可以有效的将信噪比提高6 dB。

在自由场传声器和界面传声器之间选择

自由场传声器通常用于远离反射面的位置,界面传声器则用于诸如地板、墙面、桌面、钢琴盖或内部平面等位置。这些界面传声器通常是一个紧邻声反射板或界面、面向下方的微型电容换能器或面向上方嵌装在一个声反射板或界面上的微型电容换能器。传声器振膜接收到的直达声和反射声在所有频率都是同相的,因此不会产生相位干涉现象。

在录音室里,界面传声器通常被贴在钢琴盖下方使用,或者贴在墙壁上拾取房间的环境声。界面传声器可安装在乐器之间的硬质障板或平板上,将其作为定向拾音传声器使用。

采用单一指向设计的界面传声器非常适合用于演讲、新闻播报、戏剧或音乐剧表演中对舞台地面信号的拾取。

当传声器安装位置远离反射面时,应选用自由场传声器。当传声器与声源之间的距离非常近的时候,也可以使用自由场传声器。此时,相较于直达声,反射声的能量较弱。当传声器安装位置距离反射面较近时,应选用界面传声器。

界面传声器具有以下优点:
由于直达声与反射声的融合,声学灵敏度和信噪比都会增加6 dB
能够有效消除由于反射造成的梳妆滤波现象
可使用多个反射平面来增加信噪比(每一个平面可增加6 dB)和减少混响声的拾取(每一个平面可降低3 dB)
离轴区域声染色最小化(对于宽角度拾音或持续移动的声源来说)
由于混响声造成的声染色最小化
具备出色的“延展”特性 – 可清晰地拾取距离较远的小能量声源信号
这类型传声器通常并不显眼,可以缓解“传声器恐惧症”

界面传声器的缺点:
传声器必须放置在距离声源相对较远的位置,并且可能会拾取到过多与声源无关的声音、混响声或出现声反馈
需要一个尺寸较大、笨重的界面来扩展低频响应和实现对低频的定向拾取

不同价格之间的选择

在选择传声器的时候,成本是其中一个考虑因素,特别是对于预算较为紧张的家庭工作室来说。

高端传声器价格更高的原因:
品质控制更为严格,因此其容差范围较小。品控严格的好处是,每一支传声器的品质一致性更好。制造商对灵敏度、频率响应和指向特性进行细致的控制也就意味着制造成本会增加,当然售价也会随之提高
提供一些额外的附加属性。例如,双线圈、内置防震架、指向性可调、频响曲线可调、开关、内置衰减器、可替换的组件、multiple-D结构、昂贵的高通量磁体、坚固的结构设计和使频率响应更平滑的复杂的声学校正网络

结论

我们都知道没有一支传声器能够适用于所有应用场合。如果一支传声器在某一领域特别出色的话,那么很有可能它在其他应用领域的适用性比较差。选择什么样的传声器很大程度上取决于你愿意做出多少妥协。通过了解传声器的工作原理,可以帮助我们做出更明智的选择。

有时,会有一支在设计上完全没有任何折衷妥协的传声器出现。也就是说,这个新出现的传声器可能会在获得某项性能提升的同时而无需向之前那样在其他方面做出牺牲。这种情况通常是在工程学出现突破的时候才会发生。

例如,电容传声器曾经被认为是只能在录音室安全使用的专用设备,而现在已经出现了大量能够承受多次跌落在硬质木地板这种意外情况的录音室级别电容传声器。同样,动圈传声器在过去所能提供的灵敏度远远低于电容传声器,而现在由于磁体材质和磁体结构的改进,市场上已经出现了高灵敏度的动圈传声器。

因此,尽管在设计上做出折衷仍然是无法改变的事实,但制造商们都在努力最小化折衷和制造更好的传声器。因此,选择合适的传声器会变得越来越容易。

 

作者: Bruce Bartlett  翻译:易科国际金磊

 

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