第三章,声波的接收

第三章声波的接收如何接收声波并将其转换为特定的电学参量，是任何一个声学测量仪器或测量系统都必须面临的一个基本问题。正如第一章中所讲的那样，描述声波特性昀基本的物理量是声压，它是测量声强、声功率等参量的基础。另外，测量声压比测量媒质质点振速和位移要简单和直接，因此，声压测量是声学测量的基础，其测量的准确度关乎整个测量任务的成败。本章着重讨论声压测量的基本原理、传声器的基本特性及校准方法。3.1声波接收的基本原理声学测量是声学研究的基本手段，而声波的接收是声学测量的基础和首要环节。在空气媒质中昀常用的接收声波的传感器称为传声器（microphone，俗称麦克风）。传声器的振膜在声场中由于受到声波产生的力的作用而振动，然后通过某种力电换能方式将此振动转换为输出电信号。为了测量声场中某一点的声压，必须将传声器置于该点。在声场中，传声器相当于一个弹性体，由于该障碍物的存在，入射声波在此会发生散射。因此，由于传声器的放置使原来的声场受到干扰而发生畸变，传声器实际接收到的声波是已经畸变了的声波。为了了解发生畸变的原因和畸变后声场的规律，在研究声接收原理时还必须掌握障碍物对声波散射的规律。障碍物引起的声散射现象很复杂，通常先假定传声器对声场不产生畸变，然后再考虑障碍物对声波接收特性的影响。利用散射引起的压强增量曲线可以对测量传声器引起的声场畸变作修正。一般传声器常用来接收声场中某点的声压。接收声波的原理有四种：压强式、压差式、压强与压差复合式、多声道干涉式。在声学测量中测量精度较高的通常是压强式。因此，本书只讨论压强式传声器的声接收原理。压强式传声器对声压的压强发生响应。它的结构很简单：在一密封腔上固定一个受声振膜（如图3.1.1）。空腔上有一小孔，它使腔内平均压强与周围大气压强保持平衡。当此装置放于空间时，如果声场不存在则腔内外压强相同，作用在膜片上的合力等于零，如有声波入射，则振膜在腔外的一面受到声压p的作用，假设振膜的面积为S，接收时对声场扰动不大，而膜片上声压是均匀分布的，则振膜上就产生合力pSSPpPF=−+=])[(00（3.1.1）式中0P为周围大气静压强。在此力的作用下，振膜产生振动，通过力电换能器，振动转换为输出电信号。因此，测量这个输出电信号就可以求出声场中对应的声压。如果声波斜入射到振膜，且振膜尺度与声波波长尺度相当，则作用在振膜各部分声压的振幅和相位也不相同。此时振膜受到的合力为∫=SpdSF（3.1.2）式中p为作用于振膜某点的声压。FF0CD背极图3.1.1压强式传声器结构示意图假定振膜为圆形，其半径为a。入射声波来自较远的点声源，则声压为)(krtjerAp−=ω（3.1.3）式中A为常数，与声源强度成正比；r为观察点与点声源的距离。若声波以角θ斜入射，则⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛=−θθωsin)sin(21)(kakaJeSrAFkrtj（3.1.4）式中2aSπ=为膜片面积，1J为一阶贝塞尔函数。由式（3.1.4）可知，作用到传声器上的合力与声波入射方向有关，也就是说，传声器具有指向性。当12=λπaka时，上式近似为()krtjSerAF−=ω（3.1.5）这时传声器就没有指向性了。因此，利用压强原理做成的测量传声器在低频率时常常是无指向性的。3.2传声器概述传声器是一种将声信号转换为声频电信号的换能器。传声器在声学测量、建筑声学、环境声学等诸多领域中使用的一种基本声学器件。例如，声学测量中涉及十几种型号的传声器；一般的大型演出（剧院、音乐会等）往往需用十几个传声器；在歌舞厅、卡拉OK厅中一般也要用几个传声器。3.2.1传声器的分类及工作原理传声器的分类方法有多种。若按换能方式分类，可分为电动式、电容式和压电式等。若按传声方式分类，可分为有线传声器和无线传声器两类。若按传声器的指向特性分类，可分为无指向性、双指向性和单指向性（包括心形和钳形指向性）3大类。若按声波接收的原理分类，传声器可分为声压式和压差式两类。一般音响工程中用得昀多的是电动式传声器，其次是电容式传声器。常见的电动式传声器中，又可分为动圈式传声器和带式传声器等。带式传声器是早期生产的优质电动式传声器，其性能较好。但因为制造工艺和结构上的原因，一般价格较高。近年来由于动圈式传声器的性能不断提高，价格也逐渐降低，使用的可靠性好，目前已成为电动式传声器的主流产品，带式传声器已逐渐被取代。因此目前带式传声器已十分少见。1、动圈式传声器图3.2.1是动圈式传声器的结构示意图，它与球顶式扬声器的结构非常相似。实际上两者有较大的差别。扬声器与传声器是具有相反功能的换能器。扬声器的功能是将电信号转换为声信号，而传声器则是将声信号转换为电信号，两者的性能完全不同。传声器的振膜非常轻、薄，可随声音振动。动圈振膜粘在—起，随振膜的振动而运动。动圈浮在进隙的磁场中，当它在磁场中运动时，动圈中可产生感应电动势。此电动势与振膜振动的幅度和频率直接相关，因而动圈输出的电信号与声音的强弱、频率的高低相对应。这样传声器就将声音转换成电信号予以输出。NSSFF图3.2.1动圈传声器结构示意图2、电容式传声器图3.2.2给出的是电容式传声器的结构示意图。由固定电极（后板）和膜片（振膜）构成一个电容。将一个极化电压加到电容的固定电极上。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。这时此电容的阻抗也在变化。与其串联的负载电阻的阻值是固定的，电容的阻抗变化表现为输出电位的变化。经过耦合电容，将电位变化的信号输入到前置放大器，经放大后输出音频信号。图3.2.2电容传声器的结构剖面图实际的电容式传声器中，为了提高灵敏度，减少杂散电容的影响，常常将前置放大器装在电容放射头内，使固定电极到前置放大器间的引线昀短。另外，由于电容传声器的静电容容量很小（几十pF至一百pF），在音频频率范围内的阻抗相当高，故负载电阻常需取几百欧以上才能保证电容传声器的下限频率。为与其阻抗相匹配，前置放大器也具有极高的输入阻抗，因此一般都用场效应管输入的放大器。有的较高档的电容传声器还采用电子管前置放大器。电容传声器的前置放大器的作用一方面是对电容传声头输出的信号进行预放大，另一方面主要是将电容头的高输出阻抗转换为低阻抗输出。3、驻极体式传声器外壳绝缘体均压空膜片后板驻极体电容传声器实际上也是一种电容式传声器。驻极体电容传声器的结构示意图见图3.2.3。所谓驻极体，实际上是一种“永久荷电体”。磁铁有电磁铁和永磁铁两种。电磁铁需要通电才能产生磁性。而永磁铁是一种“永久磁体”。驻极体就是一种类似于“永久磁铁”的“永久荷电体”。在驻极体的两面，“永久”地存在正电荷和负电荷。为了进行阻抗变换，驻极体传声器内一般都装入一个场效应管（FET）。实际使用中，常常需要外加一个场效应管的电源、场效应管的负载电阻RL和一个耦合电容C。图3.2.3中，驻极体的两面分别带有正、负电荷。其中正电荷通过场效应管的输入电阻R加到振膜上，使传声器头加上了极化电压。这时在有声波作用时，电容传声器就可输出声频电信号。驻极体电容传声器一般具有性能好、使用方便灵活、输出电平较高的特点，目前应用很广泛。＋＋＋＋＋金属镀层驻极体空气金属板振膜电介质后极板图3.2.3驻极体电容传声器结构示意图3.2.2传声器的主要性能衡量传声器性能的指标主要有以下几项。1、频率响应传声器的频率响应是传声器输出电平与频率之间的关系，通常用给定频率范围内的不均匀度或是在一定的不均匀度内的有效频率范围来表述。昀直观的是用频率响应曲线来表述。传声器的频率响应是传声器一项昀重要的性能指标。一般来说，频率响应越好的传声器，性能就越好。2、灵敏度传声器的灵敏度是指传声器膜片上感受到1Pa声压时，在其额定负载阻抗上产生的输出电压值。也有不少是用灵敏度级（单位为dB）来表示的，通常用1V／Pa为基准值（即0dB）来计算。实际的传声器灵敏度都在mV数量级．或是在－80～30dB之间。一般传声器的灵敏度与传声器输出阻抗的高低成正比。因此，电容传声器和驻极体传声器的灵敏度一般都要比动圈式传声器的灵敏度高一些。3、输出阻抗传声器的输出阻抗是它的输出负载阻抗的额定值。传声器的输出阻抗有高阻和低阻两类。高阻传声器的输出阻抗一般为几千欧姆至十几千欧姆，低阻传声器的输出阻抗一般为100～600欧姆。有的传声器有高阻抗和低阻抗两种输出阻抗可供选择（一般用一个开关转换）。低阻传声器适合较远距离传送，这是因为电缆较长时，传声器电缆的分布电容较大，使用高阻传声器时，高频信号的衰减大，影响高频频响。同样长度的电缆，配接低阻传声器时高频信号的衰减减少，对高频的影响小一些。4、固有噪声固有噪声是指在没有声波作用于传声器（通常在消声室中测试）时，由于传声器内部电路的热噪声或周围空气压力起伏的影响，在传声器的输出端测出的噪声电压。一般传声器的性能表中都未标注这一指标，只有一些专业用高级传声器才会给出此项指标。5、最大输入声压级一般传声器在输入声压过高时，会产生严重的失真。传声器的昀大输入声压级是指传声器不产生严重失真（例如失真超过2％）的昀大输入声压级。此项指标是衡昀较高档的传声器动态范围的一项重要指标。6、指向特性传声器的指向特性是表示声波不是正对传声器振膜的垂直轴线方向传入，而是从周围各方向入射时，传声器的灵敏度和频响特性。它可用指向灵敏度图和指向频响特性图来表述。通常用定性的分类法来对传声器的指向特性进行划分。一般分为4类：第1类是无指向性传声器；第2类是双指向性传声器；第3类是心形指向传声器；第4类是钳形指向传声器。一般音响工程中用的传声器多为心形指向传声器，俗称“单向传声器”。专业录音室、录音棚、大型演出等场合，则是根据需要选择全向（无指向性）、双向、心形或钳形指向特性的传声器。有的传声器则可选择单向或双向特性（通常带一个方向选择开关）。通常的单向传声器在使用中应正对声源的方向，才能具有较宽的频响和较高的灵敏度。在声学研究中常采用在规定工作条件下已知其灵敏度响应的高精度传声器，称为测量传声器。3.3测量传声器测量传声器通常分为实验室标准传声器和供声学测量用的传声器。前者作为实验室的标准传声器，适用于绝对校准；后者与测量仪器配套，用于声学测量。理想的标准传声器具有较高的灵敏度，宽而平直的频率特性，足够的动态范围，良好的长期稳定性，并且要求传声器的体积小，满足没有指向性的要求，以免干扰被测量的声场。早期曾经使用过晶体传声器和动圈传声器，它们的频率响应和稳定性都不太好，因此，目前经常使用电容传声器来作测量传声器或标准传声器。电容传声器的灵敏度高，频率响应宽而平直，稳定性好（其灵敏度随温度、湿度、气压和时间等环境条件的变化很小）。近年来已经研制了驻极体静电传声器，其特点是不需要极化电压。除了稳定性稍差以外，它几乎具有与电容传声器相同的性能。测量传声器的直径有24，12，6和3毫米四种，有些国家采用英制的尺寸系列，其直径分别为1’’，1/2’’，1/4’’和1/8’’（1”=25.4mm）。对于标准传声器，昀近国内外都倾向于使用12mm（或1/2’’）电容传声器，其灵敏度约为50mV/Pa（或-26dB，基准灵敏度为1V/Pa），实验室用标准传声器的频响达20~40kHz，近似为无指向性，声压级的测量范围大约为30~140dB。测量传声器可以分为声压型和声场型两类，并且可以配置专用的附件，例如鼻罩，防风罩，防雨罩等。进行测量时可以根据具体要求和环境来选择合适的测量传声器。3.3.1测量传声器工作原理从质量来说，电容传声器是昀好的一种，往往用作实验室标准来校准其他传声器，其结构如图3.3.1所示。电容传声器的振动系统可以近似地认为是位于弹性控制区的振动系统。在该控制区，当外力激励频率远小于振动系统固有频率时，系统振动的位移与外力振幅成正比，与系统的弹性系数成反比，与激励频率无关。为了提高传声器灵敏度，应该减少杂散电容。因此，传声器极头常和第一级前置放大器靠得很近。由于电容传声器的电容量很小，故需要一个高阻抗负载以保证具有低的下限截止频率。电容传声器极头的电容量大约为6