录音技术 传声器的原理与应用

第二章传声器的原理与应用主讲：作曲与作曲技术理论硕士张晨明本章要点•传声器作为录音的第一步，录音师必须对传声器的性能有充分了解，并能因地制宜的选择相应传声器。•第一节：传声器的原理•第二节：传声器的技术参数•第三节：特殊类型的传声器•第四节：传声器的应用第一节：传声器原理主讲：作曲与作曲技术理论硕士张晨明本节要点一、传声器的分类1根据原理2根据指向3根据声波作用二、常用传声器的原理和特性1动圈式5RF电容2带式6压电式3电容式7炭粒式4住集体式定义•传声器（Microphone），简写MIC，又称话筒、微音器，俗称•麦克风是一种将声音信号转换为电信号的音响设备。•常用符号：•竖线代表振膜圆圈代表声电转换机构工作原理图示•声波MIC放大器/工作站还音设备播放国外话筒的概况•世界上话筒生产技术一流的国家是德国、奥地利、美国，其次是日本。•以德国挪曼公司制造生产的U87电容式话筒有“世界话筒之王”的美称•德国SENNHISER（森海泽尔）公司生产的MD441是录音棚中必不可少的优秀话筒之一•奥地利AKG公司专为人声和木管、铜管乐拾音的优秀话筒•美国EV分司生产的人声和强声级拾音动圈式话筒是歌舞厅中使用的优秀手持近讲式动圈话筒日本是驻极体话筒的发明地，铁三角驻极体话筒适合中音频声音拾取，如中高音的木管、铜器、打击乐器，长笛、双簧管等。国内话筒概况•北京797厂是我国最大的话筒、扬声器生•产厂家•CD1-3是优秀的语音话筒•CR1-3是仿制德国U-87型电容式话筒•CR1-4型电容式话筒是一种短枪式电容•话筒传声器的种类•传声器的种类很多。各式各样的音源有它们自己不同的声音特点传声器是有不同的分类方法。•可按换能原理结构、指向性、传输方式、用途、使用功能等分类1.传声器的分类传声器可按不同的特点进行分类•按用途分:测量用传声器(标准传声器、探管传声器、高声压传声器)、通讯用传声器、专业用(录音或称广播、扩声)传声器、民用传声器•按换能原理分：静电式传声器(电容式和驻极体式)、压电式传声器(陶瓷式、晶体式、高聚合物式)、电动式传声器(动圈式、铝带式)、半导体式传声器、电磁式传声器、碳粒式传声器有线鹅颈会议话筒动圈话筒电容话筒•按声学类型分：压强式传声器、压差式传声器、压强压差复合式传声器•按能源类型分：有源传声器、无源传声器•按指向性分：全指向性传声器(圆型方向性)、单指向性传声器(心型传声器、超指向性传声器、强指向性传声器、宽角度传声器)、双指向性传声器(8字型指向性)、可变指向性传声器何为“指向性”？指向性定义：在电声设备中，指向性是指话筒的灵敏度或音箱的声压分布随着声波的入射或发射方向而变化的特征，一般用指向特性曲线表示。麦克风的指向性也可以认为是麦克风的收音范围。•从使用特性角度：无线传声器、立体声传声器、近讲传声器、高清晰度传声器、佩带式传声器、颈挂式传声器等无线无线手持话筒无线头戴话筒无线领夹话筒1.动圈式传声器•传声器的原理结构现举两个具有代表性的传声器做一说明。•动圈式传声器属于无源类传声器，其结构如图2--1所示。球从图中可以看出，动圈式传声器由永久磁铁、线圈和振膜等部分组成。当振膜受到声波的压力后，它带动线圈在磁场中作切割磁力线的振动，线圈两端就会输出一个随声波而变化的声频感应电压。•动圈式传声器具有结构牢固可靠、性能稳定、无需外加直流电压、使用简便等优点，可广泛应用于家庭和歌舞厅等场所，既适合于人声演唱，亦适合于大•多数的乐器扩音或录音使用。2.电容式传声器•电容式传声器的原理结构如图2--2所示。从原理结构图可以看出，它由一个薄极板（振膜，从几微米到十几微米）和一个厚极板（底极）等组成。两极板之.间的距离很近，一般约为20~60um，因此两极板间形成一个•以空气为介质的电容，其静电容量可达50~200pF。当声波激励薄金属片时，该薄片产生振动从而改变了两极板之间的距离，使其电容量发生相应的变化。•将这个电容的变化量取出来变成电信号，这个电信号便对应着声波信号了。要把电容变化量变成电信号有多种方法，在电容式传声器中通常有两种：一种是直流极化式；另一种是驻极体式。直流极化式基于电场原理，通过电场的作用将机械振动变成电信号，这种形式的换能器称为静电换能器。在专业音响场合中，多使用外加直流极化电压（40~200V）的高档电容传声器。3.驻极体电容传声器•采用经过事先极化的驻极体代替上述极化电压的电容传声器称为驻极体电容传声器，简称驻极体传声器。驻极体传声器的优点是省去了极化电压的装置，电路也简化了，从而体积小巧，价格相对低廉，常用在家用录音机中作内置传声器和普通歌舞厅乐队的扩音中，效果优良。缺点是极化电压保持时间有一定限度。对于使用者来说，应避免在高温和高湿环境下存储和使用电容传声器，这对延长其使用寿命是有利的。电容话筒和动圈话筒的比较麦克风音头的比较：A.动圈麦克风动圈式麦克风是利用电磁原理，以搭载于振动膜上的线圈，置于高密度的磁场间将振动膜感应的声音间接的转换为电能讯号。B.电容麦克风电容式麦克风是利用导体间的电容原理，以超薄的金属振动膜将感应的声音，直接改变导体间的电容及电压而转换成电能讯号动圈电容电容话筒和动圈话筒的比较麦克风振膜的比较：A.动圈麦克风将音圈直接搭载在振动膜上，再置于磁场中来产生音频讯号，所以灵敏度低。B.电容麦克风振动膜上没有搭载任何东西，振膜直接振动产生音频信号，灵敏度高。动圈电容音圈振膜电容话筒和动圈话筒的比较动圈麦克风因为结构和发声原理的因素，使得动圈话筒的性能要明显低于电容话筒，但是使用方便，不需要幻象供电。电容麦克风电容话筒体积小、重量轻、各项性能指标均高于动圈话筒，美中不足的是需要为麦克风音头和电子电路提供48伏的幻象供电。（PHANTOM）第二节：传声器的技术参数主讲：作曲与作曲技术理论硕士张晨明本节要点一、传声器的灵敏度二、频率响应三、指向性四、噪声级和信噪比五、动态范围六、输出阻抗七、瞬态响应传声器的性能指标•传声器的性能，可以用一系列客观参数进行描述，主要的有灵敏度、频率响应、等效噪声级、指向性、动态范围、最高声压级和输出阻抗等。1）灵敏度•是表征传声器声电转换能力的一个指标•灵敏度是指话筒声电转换过程中，把不同强度的声压转换成电压的能力。•·灵敏度以膜片受一单位声压作用时，其输出端开路时输出电压的多少来表示。•·即在话筒的音膜上送入1ub的声压变化，在话筒的输出端上能产生多少mV的输出电压。•常见的有:空载（开路）灵敏度与有载灵敏度声压灵敏度与声场灵敏度•一般音响调音中使用的是声场有载灵敏度，不特别指出时，就是这个灵敏度•灵敏度更多的是以灵敏度级，即将灵敏度与基准量相比取对数表示：LE＝20lgE/E0dBE0为参考灵敏度，E0＝1V/upa1）灵敏度•·动圈话筒的灵敏度在0.1~0.4mV/upa左右；•·电容话筒的灵敏度在1~2mV/upa左右。•·高灵敏度话筒：每微pa声压可产生5mV左右输出；•·低灵敏度话筒：每微pa声压可产生0.1mV输出；•很多传声器的灵敏度指标用额定输出电平来表示，它是与灵敏度级对应的，以1KHz为测试条件•动圈式传声器灵敏度级为-70～-60dB电容式传声器灵敏度级约-50～-40dB水下100M一只虾吃东西的声音-80dB20英里外一个人说话的声音-30dB负分贝人耳是听不到的，但却是客观存在的2）频率响应•传声器在不同频率的声波作用下的灵敏度是不同的。一般在中音频（如1千赫）时灵敏度高，而在低音频（如几十赫）或高音频（十几千赫）时灵敏度降低。我们以中音频的灵敏度为基准，把灵敏度下降为某一规定值的频率范围叫做传声器的频率特性。频率特性范围宽，表示该传声器对较宽频带的声音较高的灵敏度，扩音效果就好。理想的传声器频率特性应为20Hz~20kHz。•频率响应曲线在自由场中测试为自由场频率响应，在扩散场中测试为扩散场频率响应，音响调音范围内用的传声器，一般都是指自由场频率响应，在说明中不特别指明的即是自由场下测量的指标。••传声器正向灵敏度随频率变化的特性曲线即频率响应曲线。•频响曲线均匀、平滑的曲线非常重要，若在某一频率有一凸起，就可能在此处引起自激。•良好的频率响应在各个不同频率上其Vour都应在士2dB以内指向性0º～180º间频率响应之差•动圈式传声器的频率响应在80Hz～13kHz范围内就是比较好的了。一般在100Hz～10kHz范围是普及型，用于卡拉OK舞厅、广播、教学等处。•电容式传声器的频率就可以做得较宽，一般为40Hz～16kHz，较优秀的产品能做到30Hz一18kHz。•实际的频率响应指标中还有一个允差的概念，即：80Hz～13kHz，±2.5dB±2.5dB即为允差•对不同频段，有不同的允差，中频允差要求小•使用场合不同，对传声器频响的要求也不同，语言的声音频率范围比音乐的窄，大型乐队演奏比独唱、独奏等的宽。传声器频率响应曲线在高频段有“上翘”时，声音明亮；在低频段有“上翘”时，重放声会有“浑厚”的感觉。这可以由调音师根据节目内容的特殊需要来补偿。•此外，有时也用一定频率范围内的灵敏度不均匀度表示，称为传声器频率特性的不均匀度。3）指向特性•传声器的指向特性，又称传声器的方向性，是表征传声器对不同入射方向的声信号检拾的灵敏度，也可以说是传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性。如单方向性表示只对某一方向来的声波反应灵敏，而对其他方向来的声波基本无输出。无方向性则表示对各个方向来的相同声压的声波都有近似相同的输出。指向性是传声器十分重要的电声指标。•亦有用0°～180°间的频率响应之差来表示。0°、180°之间的频率响应相差越大，说明传声器单指向性越好。•现有的传声器有三大类指向性，即：全向（无向）→圆形→1双向→8字形→cosθ单向→心形→1+cosθ压强式全指向•全指向性（non-direction）•·对自各个方向的声波呈现出基本相同的•灵敏度•结构特点：压强式传声器的振膜是裸露在声场中的，振膜后面是密封的，声波无法入射。具有这种结构的传声器对所有方向的声波入射都具有相同的灵敏度。压差式双指向8字指向•双指向性（bi-direction）·对于正面入射的声波和背面入射的声波呈现出相同的灵敏度，但对侧面入射的声波则呈现很低的灵敏度•压差式传声器的振膜后面不密闭，因此振膜的振动取决于前面和后面的瞬时声压差，即对声压梯度产生响应。很显然，从前面0°和后面180°入射的声波，都可以产生很大的声压梯度，所以接收能力最强，具有较高的灵敏度。从侧面90°和270°入射的声波，到达振膜前后两面的强度相等，因而声压梯度为零，传声器没有输出，灵敏度为零。因此，压差式传声器具有8字形(或双向)指向特性多种指向图形的组合将一个无方向图形与一个8字形图形叠加起来，就能得到一个心形图形，如图2―5所示。这是因为在0°方向上，无方向图形与8字形图形相叠加，得到了两倍的灵敏度；在180°方向上两者大小相等，方向相反，结果相互抵消；在90°和270°方向上，因8字形图形灵敏度为零，因而，叠加的结果是保持无方向图形的灵敏度，它是0°入射灵敏度的一半。复合式指向•还有强指向型、超强型、宽角度型等，不同指向性的传声器是为不同场合使用而设计。•通用的表达式为：a+b×cosθ复合式指向4）输出阻抗•输出阻抗是指从传声器的输出端测得的交流阻抗。•分高阻和低阻高阻：10kΩ、20kΩ、30kΩ、50kΩ低阻：50Ω、100Ω、150Ω、200Ω、250Ω、600Ω•一般传声器均为低阻:传输距离远•根据国家标准“传声器通用技术条件”中的规定，阻抗优选值为200Ω、600Ω、高阻20kΩ。•传声器的输出阻抗与负载阻抗，这是就传声器与后面的输入级（调音台）的配接而言，输入级的阻抗称输入阻抗，也就是传声器的负载阻抗•匹配→跨接（负载阻抗≥5倍输出阻抗）5）等效噪声级•传声器固有噪声：在理想条件下，作用于传声器的声压为零时，传声器输出端的电压为零，如仍有电压，即是噪声电压，这是由于传声器内部的电噪声引起的。•N（dB）=94-20lg/Er其中：E为灵敏度，单