传声器（话筒）的设计原理-完结篇！

碧海遨游 · 发表于 2017-11-15

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灵敏度较低，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。

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。

碧海遨游 · 发表于 2017-11-15

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。

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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。

6. 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

7. 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。

碧海遨游 · 发表于 2017-11-15

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8–10kHz）。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）。

碧海遨游 · 发表于 2017-11-15

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
1. 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。
2. 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。

碧海遨游 · 发表于 2017-11-15

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。
1.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”。
2. 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。

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[话筒] 传声器（话筒）的设计原理-完结篇！

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