现今使用最多的传声器有电容传声器、动圈传声器、驻极体传声器三大类。
1.电容传声器
图6-1是电容传声器的结构原理。它是由两块金属薄膜组成的一个可变容量的电容器。在两块金属电极板之间施加一个电动势E,电容器将充以电荷Q,并储存在电容器中,如图6-1a所示。
E=Q/C (6-1)
式中 Q——充的电量(C);
C——电容器的电容量(F)。
如果保持电量Q恒定,当电极板的间距改变时,如图6-1b所示,则电极板两端的电动势E与电容的改变成反比。如果把一个极板固定,另一块极板(振膜)可变,并随着声压的变化改变距离,那么就可组成图6-1c所示的电容传声器。电容传声器需要48V极化电压(简称幻象电源)。
驻极体传声器也属于电容传声器类,图6-1e是它的结构原理图。在镀金的塑料薄膜(多数为聚全氟乙丙烯)表面上,涂有一层能储存电荷Q的驻极体材料作为振动膜,并将其接地,另一金属极板接在场效应晶体管的栅极上,栅极与源极之间接有一个二极管。若驻极体膜片表面带有电荷的电量为Q,板极间的电容量为C,则在极头上产生的电压U=Q/C,当受到振动或气流摩擦时,由于使两极板间的距离改变,即电容C改变,而电量Q不变,就会引起极头上的电压变化,这种电压变化的频率反映了外界声音的频率和声压的强弱。
图6-1 电容传声器的结构原理
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
驻极体传声器的信号内阻很大,必须采用输入阻抗极高的场效应晶体管进行放大。驻极体传声器只要求1.5~3V的电压就可正常工作。
驻极体传声器体积小,易于流水线批量生产,价格便宜,广泛用于会议扩声和电话、手机通信等系统。
电容传声器是利用导体间的电容充放电原理,以超薄的金属膜或镀金的塑料薄膜为振动膜感应音压,以改变导体间的电容量并直接转换成电能信号,再经由电子电路耦合放大获得低阻和高灵敏度的输出电信号。
电容传声器的优点包括以下几点。
1)极为宽广的频率响应。振动膜是传声器感应声音及转换电能信号的主要组件。振动膜的材质及机构设计,是决定传声器音质的关键。由于电容传声器的振动膜可以采用极轻薄的材料制成,而且感应的音压,直接转换成音频信号,所以它的频率响应,低音可以延伸到10Hz超低频,高音可以达到20kHz的超高音。
2)高的声压灵敏度。振动膜上面因为没有音圈负载,可以采用极为轻薄的设计,通过低噪声放大,使它具有高的声压灵敏度,可以感应极微弱的声波,输出精准、细腻、清晰的音频电信号。
3)快速的瞬时响应特性。振动膜除了决定传声器的频率响应及灵敏度特性外,对声波的反应速度,即所谓“瞬态”响应特性,是影响传声器音色的一个最重要因素。传声器瞬态响应特性的快慢,取决于整个振动膜的轻重,振动膜越轻,反应速度就越快。极为轻薄的振动膜,具有极好的瞬态响应特性,中、低音没有声音染色,高音清脆细腻,这是电容传声器最显著的音色特点。
4)超低的触摸杂音特性,是音响专家最赞赏的特点。使用手握式传声器时因与手掌接触会产生触摸杂音,让原音混杂了额外的噪声,影响音质,尤其对无线传声器更严重,所以触摸杂音成为评价传声器质量的重要项目之一。
5)耐摔、耐冲击。传声器难免因不慎掉落碰撞导致故障或损坏。由于电容式音头是由较轻的塑料零件及坚固的金属外壳构成的,掉落地面或撞击时,损坏和故障率较低。
6)体积小、重量轻。主要用于演出和录音等场所拾音。
2.动圈传声器
动圈传声器类似于一个小扬声器,由一个处在永久磁场中由声波驱动的音圈组成。音圈与振膜粘牢在一起,同时又处在磁场中,如图6-2所示。根据磁感应原理,音圈在磁场中运动时,在音圈两端会产生一个感应电动势E,即
E=Blv (6-2)
式中 E——输出感应电动势(V);
B——磁路中的磁场强度(T);(www.xing528.com)
l——音圈的长度(m);
v——音圈运动的速度(m/s)。
图6-2 动圈传声器原理
动圈传声器的结构强度好,不需幻象电源,使用方便,性能价格比高,广泛用于各类扩声系统。
3.特殊传声器
特殊用途传声器包括在嘈杂环境中使用的噪声抵消传声器、界面传声器、采访传声器等。
(1)噪声抵消传声器。在非常嘈杂的环境,如飞机驾驶舱、机械加工车间等场所,一般的传声器已无法正常工作,需要使用一种具有噪声抵消功能的特殊传声器。
图6-3是一种典型的噪声抵消传声器。它由一对反向连接的全向传声器组成。图6-3d是该传声器组的频响特性。对靠近传声器讲话的人声,具有一般单向心型指向特性的宽频响特性;对于远离传声器传来的噪声,反向连接传声器的输出频响特性可有效抑制中低频噪声,从而达到抑制环境噪声的效果。
(2)界面传声器(Boundary microphone)。界面传声器简称PZM,又称平面传声器、压力带传声器。界面传声器与普通传声器的主要区别是它的界面应用。图6-4是界面传声器的外形图。
界面传声器根据不同用途,可安装在舞台台口地面上、墙面上、讲台桌面上和会议桌面上,到达界面传声器的直达声和界面反射声之间的延时可忽略不计,因此,界面传声器不仅频响特性好,而且到达界面传声器的声压级比普通传声器可提高1倍(增加6dB)。
界面传声器适合语言和音乐拾音,用于剧场舞台、乐队指挥台或教堂神台拾音时,有极好的频率响应特性,而且不引人注目。
(3)采访传声器。采访传声器用于记者在嘈杂环境中进行现场采访拾音。图6-5是采访传声器原理图。采访传声器采用驻极体或电容传声器作拾音头,在拾音头前装有一根带有多种节距槽孔的长腔管,凡偏离腔管轴线大于θ角的声波,在腔管内逐渐衰减抵消,只有在θ角范围内的声波才会在腔管中没有衰减地传播到拾音头。腔管的长度、槽孔的节距、数量和排列位置都会直接影响指向特性。腔管越长,θ角就越小,指向性也越好。
图6-3 噪声抵消传声器
a)传声器接近声源和远离声源的输出特性 b)一种典型的噪声抵消器 c)两个全向传声器反向连接产生噪声抵消效果 d)一对反向连接传声器的频响特性
图6-4 界面传声器
采访传声器用途很广泛,例如常在歌剧、话剧、戏曲的舞台口拾音和新闻采访中使用。在电视采访中可瞄准比摄像范围更远的远距离目标拾音。
(4)数字传声器。数字传声器就是将传统模拟音频信号转换为数字信号进行处理和传输。数字传声器输出的是数字信号,而不是通常的模拟信号。产品的基本形态与通常的驻极体传声器类似。基本结构为一个换能器,用于产生代表声信号的模拟信号和A-D转换器,按照取样速率并以∑-Δ调制比特流的形式产生数据输出信号。
数字传声器的最大优点是抗干扰能力强,不会受到那些来自电脑、网络、射频电磁场的干扰,因此在接入的时候,无需采用屏蔽线。
图6-5 采访传声器
a)工作原理 b)采访传声器外形
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