第六章(传声器自动混音器)

-1-第六章传声器传声器俗称话筒，它是一种把声音转换为电信号的换能装置。广泛用于各类扩声系统、录音棚、演播室和多媒体系统中。是各类扩声系统中必不可少的“声源”器件。本章将对它的换能原理、指向特性、技术参数、高频集束效应和传声器之间的干扰，最后还讨论了电容传声器的远距幻象供电和传输电缆的损耗以及传声器使用中的一些问题。6.1换能器的基本原理现今使用最多的传声器是电容传声器和动圈传声器两种基本类型。6.1.1电容传声器：图6-1是电容传声器的原理性结构。电容器由两块间隔的金属板组成。在两块金属电极板之间施加一个电势E，电容器将充以电荷Q，储存在电容器中，E=Q/C（6-1）式中：Q是充的电量，单位库伦；C是电容量，单位法拉。图6-1电容传声器原理(a)电容器充电(b)极板距离变化改变极板间电位(c)具有一个振膜和一个固定后极板的电容传声器(d)传统的电容传声器(e)驻极体电容传声器如果我们保持电量恒定，变更电极板的间距,如图（B）所示，电势将与电容的改变成反比。如果把一个极板固定，另一块极板可变，像一块振膜那样，随着声压的变化改变距离，那么就可组成如图（C）所示的传声器。传声器输出的功率极其微小，因此通常都在电容传声器的内部就进行放大，如图（D）所示。习惯上都用一个极化电源或偏压电源来保持电容器充电。图（E）是一种驻极体电容传声器的原理。通过加到后极板上的一种特殊材料的作用，使这个电容器永久保持充电电荷，这种传声器只要求不大于6～8伏的电压就可工作；而一般的电容传声器要求具有48伏的极化电压。6.1.2动圈传声器：动圈传声器的音圈粘牢在振膜上，同时又处在磁场中。根据磁感应原理，振膜运动时，将会在音圈两-2-端产生一个电位差输出：E=Blv（6-2）式中：E是输出电位差，单位为V；B是磁路中的磁场密度，单位为泰斯拉；l是音圈的长度，单位为m；v是音圈运动的速度，单位为m/s。图6-2（A）是动圈传声器的运动原理。图（B）是带状传声器的类似结构。图6-2动圈传声器原理(a)动圈传声器结构(b)带状传声器的剖面图曾有一段时间，认为电容传声器的频带宽度和质量优于动圈传声器。但是近几年来，质量的差距已有明显缩小。动圈传声器的结构强度普遍好于电容传声器。这个特点使动圈传声器能适应较差的环境中应用。然而，电容传声器能保持十分小的体积，适应各类个人使用。6.2基本指向特性和频率响应特性有两种基本的指向特性：全向特性和双向特性。两种指向特性的输出可组成“心形”或“单向”特性图。1、全向指向特性：如果振膜只有一面对着声场，那么它的指向特性基本上是全向的，如图6-3（A）所示。如今已有直径为20mm或更小的振膜。极座标图如（B）所示。图6-3全向传声器(a)一个小振膜响应各方向的声音(b)全向指向特性2、双向指向特性：带状传声器是双向指向特性传声器的最好构造。图6-4（A）中波纹带的两面是开放在声场中的。显然，-3-从900或2700方向传来的声波，由于波纹带两边的声压互相抵消，因此传声器是没有输出的。极座标特性如（B）所示，它像一个“8字”形状。图6-4双指向特性(a)带状传声器的顶视图(b)双指向特性3、心形指向特性：全向和双向两个极座标指向图加在一起可获得图6-5（A）所示的心形指向特性图。大多数可变指向图的传声器是把两个单元结合在一起工作得到的。广泛用于扩声系统的固定心形指向特性传声器则为单振膜的，它们的工作原理如图6-5（B）和（C）所示。在这种设计中，振膜的背面是开放在声场中的，但是后面来的声音途经一个声音延迟后到达传声器振膜的背面，这个声音延迟时间等于声音从传声器的背面绕过传声器到达传声器前面振膜所需的时间。从传声器后面来的声音经由两种途径到达振膜的两面而互相抵消，因此传声器没有输出。从传声器前面到达的声音，当然也会有一些抵消，但是有一个声压会驱动振膜。图6-5（D）是这种心形传声器在00、900和1800方位的频率响应输出。图6-5单向及心形指向传声器(a)全向+双向指向特性=单指向特性(b)单振膜心形传声器1800到达的声音(c)单振膜传声器00到达的声音(d)良好心形传声器的典型频响特性一阶心形指向特性小结：图6-6是在单振膜心形传声器中通过各种延迟途径获得的超级心形和超心形指向特性。超级心形指向特性表现出最大的轴向拾取与总的随机响应比。超心形指向特性表现出最大的前半球与总的随机响应比。至此我们讨论的指向特性都是一阶设计的，这个命名是因为他们来源于简单的全向和8字形的指向特性图，更高阶的传声器指向特性，包括平方余弦指向特性，它们的极性方程式比一阶更高，如图6-6所示。-4-这些高阶指向特性的设计十分困难，它们的理想特性只能覆盖一小段频率范围。图6-6超级心形和超心形指向特性(a)超级心形指向图(b)超心形指向图图6-7概括了一阶指向特性各特性图。普通心形指向传声器用在不要求拾取00～1800宽范围的声源场合。超级心形指向特性传声器在高混响环境中特别有用，因为它对随机反射声有最高的识别能力。超心形指向传声器在拾取广角声源时很有用，因为它可抑制后半球面的混响声。图6-7一阶心形的指向特性和它们的参数4、随机能量效率和距离因子图6-7中的随机能量效率（REE）是指轴向拾音对总的随机拾音之比的一种测量。类似于扬声器的指向性因子，或如果用分贝表示为DI。距离因子是说明指向性传声器与全向传声器相比较增加的最大工作距离，如图6-8所示。图6-8传声器的距离因子5、接近效应对低频特性的影响指向性传声器用在近距离工作时，它们的低频响应会有提升。这是由于振膜前后之间声压差的一种复杂的相互作用，接近平方反比关系的感应。图6-9（A）是在固定工作距离（60cm）时的一种心形指向传声-5-器理论曲线的角度函数。图（B）表明典型传声器在靠近声源时的响应特性。图6-9心形传声器的接近效应对低频特性的影响(a)单向传声器在60cm处接近效应的角度计算图(b)典型传声器的接近效果为此，在传声器设计中采用了远距离声源的下降低频特性，在0.6m（2英尺）距离的频响只稍微下降一点（在100HZ下降-5dB），表明这个传声器如果在那样的距离使用，作语言扩声时有很平坦的频响特性。全向传声器没有这种接近效应。6、高频集束效应对高频特性的影响由于传声器振膜尺寸的限制，所有传声器的指向特性在高频时都会变成更加趋向于传声器的轴线方向，使它的指向特性成为波长和振膜直径的函数，如图6-10所示。振膜直径与工作频率的波长相比越大时，它的指向特性越尖锐。图6-10圆形振膜与工作波λ之比对指向特性的影响图6-11是传声器高频集束效应对频率响应特性的影响。如果传声器轴向投射时具有平坦的频率响应特性，那么在随机投射角的频响特性高频段将会是下降的。相反，如果希望有一个平坦的随机投射角频响特性，那么它的轴向频率响应特性在高频段将是提升的。扩声系统中应用的传声器，一般都是使用平坦的轴向频响特性的传声器。图6-11传声器高频集束效应对高频特性的影响6.3几种特殊的传声器类型：1、噪声抵消传声器-6-在非常嘈杂的环境，如飞机驾驶舱、工厂以及其他类似的地方，一般的传声器已无法正常工作，图6-12是一种典型的噪声抵消传声器。大多是采用抵消靠近讲话筒的低频随机噪声，用一对反向连接的全向传声器可提供适当程度的噪声抵消作用。图6-12噪声抵消传声器(a)传声器接近声源和远离声源(b)一种典型的噪声抵消器（美国SHURE）(c)两个全向传声器反向连接产生的噪声抵消效果(d)一对反向连接传声器的频响特性2、远距离拾音传声器远距离传声器即通常所说的“短枪”传声器。用于确定距离的拾音。一个较长的现场传声器，200HZ以上的REE（随机能量效率）为0.1，相对于全向传声器的等效距离为3.2。如图6-13所示。利用这种大距离因子，在电视广播中可瞄准摄像范围以外的远距离目标。也可用于记者室外采访。图6-13“短枪”传声器(a)00到达的声音衰减小于偏轴方向来的声音(b)EV-CL425传声器3、平嘴传声器用于乐队指挥台或教堂神台。平嘴传声器有极好的频率响应特性，它们不引人注目，在剧场中，可放置在脚灯旁边等优点，可以对语言和音乐拾音。图6-14平嘴传声器（CROWN）4、无线传声器利用无线发射和接收的各类无线传声器，使用户获得了不受连接电缆牵制的限制。在舞台演出和各种-7-娱乐活动中获得了广泛的应用。无线传声器的高频传输频率为两个频段：一种为VHF（Veryhighfreguency）甚高频波段，频率范围为160MHZ～250MHZ。另一种为UHF（Ultrahighfreguency）超高频波段，频率范围为730MHZ～950MHZ。VHF频段的频率较低，制造成本便宜。图6-15无线传声器和它的调制器/解调器不管那个频段的无线传输，都会受到电波传播衰减变化的影响，经常会发生信号瞬间中断而导致声音的不连续性。优质无线传声器现在都已采用双天线接收的分集接收技术，可有效的解决此问题。如果要同时使用多个无线传声器，当传输频率选择不当时，各传声器会产生信号干扰。为此每种型号的无线传声器都设有优选频率配置表和同时使用的最高数量限制。图6-16是可同时监视和控制32台无线传声器接收机的网络接口系统（SHUREUA888）。图6-16利用计算机屏幕监控32台无线传声器同时工作的网络（SHUREUA888）无线传声器发射机有手持式、领夹式、头载式和乐器类等多种类型。表6-1是SHURE无线传声器收、发系统的技术特性表。表6-2是Audio-technica(铁三角)无线传声器收、发系统的技术特性表。6.4传声器技术参数1、传声器的额定灵敏度传声器的额定灵敏度是指传声器振膜上感受到1Pa声压时，在其负载阻抗上产生的输出电压值。经常用dBm来表示。通常以1V/Pa为基准值（即0dB），一般传声器的灵敏度都在mV数量级，或-80dB～-30dB之间。输出阻抗越高，输出电压也越高。电容传声器或驻极体传声器由于内部有一个低噪声放大器，因此输出电压都比动圈传声器高一些。现今，大多数传声器的输出电路没有明显的负载（即调音台的输入阻抗都在2KΩ以上），因此传声器可以说是在开路输出的情况下工作的。我们举例说明传声器额定灵敏度的意义：-8-一个传声器的灵敏度为0.007V（7mV）/1pa。其意义是把该传声器置于/1pa或声压级SPL为94dB的声场中，它的输出电动势为0.007V或7mV。一个动圈传声器的典型开路灵敏度为-80dB(0dB=1v/1pa),在1μpa(微巴)声场的声压级（74dB），求得的开路电动势为：取（-80/20）的反对数=10-4=0.0001v（0.1mv）。注：演讲人离传声器0.6m距离的声压级约为65dB～70dB。如果要与前一个额定灵敏度比较，首先要注意前面的灵敏度是在94dB声压级的声场中测定的，第二个灵敏度是在74dB的声场中测定的，必须改正20dB的声压级差值，即74dB声压级需要提升20dB或乘上一个10的因子。进行了这项工作后，第二个传声器的等效声场为94dB，它的额定灵敏度为0.001v，这样我们就可以比较两个传声器的开路灵敏度了。第一个传声器的输出电压为0.007V，比第二个传声器的灵敏度0.001v高17dB，即：20log(0.007/0.001)=17dB。有些制造公司给出的传声器灵敏度是把传声器置放于参考声场中，传输给匹配负载的以dBmW为单位的功率电平，如果给出的灵敏度为：负载阻抗=200欧姆，功率输出=-40dBmW（10达因/厘米2），那么如何换算成输出电压呢？首先我们要注意-40dBmW是传声器置于声压级为94dB声场中的输出功率。把-40dBmW换算为功率值，其数值为：取（-40/10）=104010的反对数=0.0001mw=0.1610w。因为功率P=E2/Z，200欧姆负载两端的出电压为E=PZ=200)101.0(6=0.0045v(4.5mv)。由于匹配负载上获得的电压为输出电动势的一半，因此无负载的开路输出应加倍，为0.009v(9mv)。图6-17（A）是决