一種心形指向性拾音器實(shí)例分析

焦 峰 李玉驄

1.威泰視訊設(shè)備（中國(guó)）有限公司

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

一種心形指向性拾音器實(shí)例分析

焦 峰1李玉驄2

1.威泰視訊設(shè)備（中國(guó)）有限公司

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

文章簡(jiǎn)要敘述了一種電容式駐極體在拾音器電路的應(yīng)用及降噪方法，并介紹了一種實(shí)際的心形指向拾音器。由于實(shí)際的拾音電路容易受到外界的電磁干擾，為了解決這種問題，作者對(duì)拾音器采用了一些電磁屏蔽措施，效果十分理想。

電容式駐極體;降噪;金屬編織網(wǎng)

前言

拾音器俗稱話筒或麥克風(fēng)(Microphone) ,是一種將聲波轉(zhuǎn)為電信號(hào)的換能器。傳聲器是錄音棚、電影電視錄音、音樂語言擴(kuò)聲和通信設(shè)備拾取語言信號(hào)必不可少的電聲器件。為保證錄擴(kuò)系統(tǒng)整體的聲學(xué)質(zhì)量，作為音響、錄擴(kuò)聲系統(tǒng)第一環(huán)節(jié)的拾音器肩負(fù)著重任。而拾音器的水平也必然隨著擴(kuò)聲系統(tǒng)水平的提高而不斷提高。

目前市場(chǎng)上多數(shù)拾音器主要使用電容式駐極體，以下首先介紹電容式駐極體。

1 電容式駐極體工作原理

電容式駐極體是在一種特殊的有機(jī)薄膜上蒸上一層很薄的金屬作為一個(gè)電極( 振膜) ，與另一極（后極）組成一個(gè)平板電容器。當(dāng)振膜在聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，兩極之間間隙發(fā)生改變，電容量隨之發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)電容器兩極之間加上恒定直流電壓時(shí), 振膜的振動(dòng)使平板電容的容量發(fā)生變化，極板上的電荷量就會(huì)隨之變化。變化的電荷流過外負(fù)載電阻，在電阻上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與聲波同規(guī)律的電壓降，這就實(shí)現(xiàn)了聲能-電能之間的轉(zhuǎn)換。

通過阻抗非常高的場(chǎng)效應(yīng)管將電容兩端的電壓取出來，進(jìn)行放大，就得到和聲音對(duì)應(yīng)的電壓。場(chǎng)效應(yīng)管是有源器件，需要一定的偏置和電流才可以工作在放大狀態(tài)，因此，駐極體話筒都需要施加一個(gè)直流偏置方可工作。電容式駐極體的振動(dòng)部件是一個(gè)非常薄的有機(jī)膜, 所以電容駐極體性能一般都可做得很好。

2 電路設(shè)計(jì)

在錄擴(kuò)聲系統(tǒng)中, 拾音器處于系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，與前置放大器連接。描述拾音器電聲性能的客觀主要指標(biāo)有：輸出阻抗、靈敏度、靈敏度頻率響應(yīng)、指向性特性、失真限制下的最大聲壓級(jí)和等效噪聲級(jí)等。

針對(duì)具體型號(hào)的參數(shù)設(shè)計(jì)，本文作者采用松下（Panasonic）WM系列電容式駐極體，設(shè)計(jì)了一種高保真拾音器，以下介紹該電路的設(shè)計(jì)和分析。

2.1 電容式駐極體參數(shù)分析

從駐極體廠商提供的資料（見圖1）可以看出，WM系列產(chǎn)品在400赫茲以下的低頻衰減明顯，因此需要對(duì)WM系列產(chǎn)品做低頻補(bǔ)償。

圖1 電容式駐極體的頻率響應(yīng)曲線

2.2 電源電路

拾音器采用幻象供電，對(duì)電源利用率提出較高要求。作者采用了寬電壓范圍（11V～52V）幻象供電設(shè)計(jì)，以滿足更多使用環(huán)境。圖2為電源原理圖。其中C1、C2為旁路電容，濾除高頻干擾；Q3、R3、R4構(gòu)成恒壓電路，以滿足幻象供電電壓在較大幅度范圍內(nèi)變化。為保證放大電路和駐極體供電電壓在較小范圍內(nèi)變化，一般拾音器幻象供電電壓為48V，其中C4需要高耐壓電容。

對(duì)電路用Multisim進(jìn)行仿真，11V供電時(shí)，VCC=7.3V；52V供電時(shí)，VCC=8.3V；48V供電時(shí)，VCC=8.2V。

圖2 電源部分

2.3 放大電路

電源處理電路為放大器提供單電源供電，因此放大器需偏置電路。如圖3。R9、R10、R12構(gòu)成偏置電路；信號(hào)從駐極體經(jīng)過C7耦合（C7需選用高質(zhì)量CBB電容）；R13者R16構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過S1對(duì)固定頻段進(jìn)行增強(qiáng)或衰減；R6、R14為75Ω，其輸出阻抗為75Ω；R7等于R11，對(duì)信號(hào)反向用于平衡輸出。根據(jù)駐極體的實(shí)際參數(shù)選擇合適的放大倍數(shù)，從而確定R5。

圖3 放大電路

2.4 使用模式

工頻衰減模式（如圖4）。利用Multisim進(jìn)行仿真，對(duì)工頻干擾進(jìn)行衰減，在80HZ衰減3dB，在50HZ衰減6dB，加強(qiáng)對(duì)此兩頻點(diǎn)的抑制，可以有效減少交流干擾、減低低頻噪聲干擾（如汽車引擎聲、空調(diào)系統(tǒng)聲）。

圖4 工頻衰減仿真圖

平直模式（如圖5）。因駐極體的固有特性，需要對(duì)其低頻進(jìn)行提升，其他頻段只需放大一倍，從而滿足各頻段真實(shí)反映實(shí)際接收的信號(hào)。平直模式適合舞臺(tái)錄音等要求較高的場(chǎng)合。

圖5 平直仿真圖

高通模式（如圖6）。為使拾音器高頻得到增強(qiáng)，可斷開反饋回路中的反饋電容C8。在放大電路中增加反饋電容以消除自激振蕩帶來的不穩(wěn)定，而去掉反饋電容則可使高頻信號(hào)得到增強(qiáng)。高頻信號(hào)豐富可使語音清晰，有利于提高監(jiān)聽系統(tǒng)的性能。

圖6 高通仿真圖

2.5 指示電路

在擴(kuò)錄音使用中，人們關(guān)心聲音是否被記錄。為便于在無監(jiān)聽情況下使用，作者設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)反映音量和聲音有無的指示燈。拾音器中增加了亮度隨聲音強(qiáng)度變化的指示燈。輸出信號(hào)MIC與參考電壓V1進(jìn)行比較，比較器輸出PWM控制LED燈的亮度（如圖7）。因比較器負(fù)載能力較弱，所以需在輸出端D1加OC門以增強(qiáng)負(fù)載能力，驅(qū)動(dòng)LED。

圖7 比較電路

2.6 器件選擇

擴(kuò)錄聲系統(tǒng)中，前級(jí)電路比后級(jí)電路對(duì)系統(tǒng)效果影響更大。因此放大器需選擇低噪聲、低功耗放大器，電阻選擇噪聲低的金屬膜電阻。

2.7 測(cè)試曲線

心形指向是指在0°到60°區(qū)域內(nèi)接收靈敏度無明顯改變，頻響曲線基本平直。圖8是拾音器在規(guī)定條件下的靈敏度和頻率的關(guān)系曲線。

3 電磁干擾屏蔽措施

實(shí)際應(yīng)用中，手機(jī)信號(hào)是拾音器常面臨的電磁干擾之一。手機(jī)信號(hào)會(huì)串入拾音器，導(dǎo)致擴(kuò)路聲系統(tǒng)中發(fā)出“茲茲”的干擾聲，此現(xiàn)象在手機(jī)接通期間尤為明顯。拾音器是該種干擾聲最初的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，經(jīng)逐級(jí)放大，最終導(dǎo)致擴(kuò)聲系統(tǒng)這種干擾聲問題。因此有必要針對(duì)拾音器進(jìn)行手機(jī)信號(hào)屏蔽處理，且這種防屏蔽措施需裝配操作方便、成本合理。

3.1 金屬編織網(wǎng)的電磁屏蔽特性

對(duì)比基本電磁參數(shù)相同的屏蔽薄膜與金屬編織網(wǎng)的屏蔽效能SE，可以清楚地了解金屬編織網(wǎng)的電磁屏蔽特性。設(shè)TEM波垂直入射在無限大厚度為d的薄膜材料上，其屏蔽效能公式為：

f,c分別是入射波頻率和真空中光速?？煽闯? 薄膜材料SE的頻率特性是：存在頻率過渡區(qū)域，當(dāng)f在這個(gè)區(qū)域以下時(shí)，SE基本不顯示頻率依賴性；f在這個(gè)區(qū)域以上時(shí)，SE和lgf近似有簡(jiǎn)單線性關(guān)系SE=algf+b (a>0,b<0)。頻率過渡區(qū)域的中心隨d和σ的增加而降低。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，金屬編織網(wǎng)和薄膜材料對(duì)電磁能量屏蔽的相同點(diǎn)是：兩者都存在頻率過渡區(qū)域，f在這個(gè)區(qū)域以下時(shí)，SE幾乎不顯示頻率依賴性；f在這個(gè)頻率以上時(shí),SE和lgf存在簡(jiǎn)單線性關(guān)系。不同點(diǎn)是：薄膜材料的SE 隨頻率的增加而升高，金屬編織網(wǎng)SE 隨頻率的增加而降低。當(dāng)l=d、電磁參數(shù)相同時(shí)，薄膜材料的SE要比金屬編織網(wǎng)高。圖9為金屬編織網(wǎng)的示意圖。

圖9 金屬編織網(wǎng)示意圖

3.2 縫隙處電磁屏蔽處理

結(jié)構(gòu)件在制造時(shí)做開槽處理，以便于放置電磁密封襯墊。選擇電磁密封襯墊時(shí)要考慮幾個(gè)因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求和成本要求。導(dǎo)電橡膠是在硅橡膠內(nèi)填充占總重量70%～80%的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀玻璃球等，是制作電磁密封襯墊的理想材料。

3.3 注意事項(xiàng)

金屬屏蔽體應(yīng)良好接地。靜電屏蔽使屏蔽體外側(cè)的感應(yīng)電荷流入大地，而不會(huì)有感應(yīng)電場(chǎng)存在。對(duì)于交變電場(chǎng)屏蔽，交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓取決于交變電場(chǎng)電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。因此使金屬屏蔽體良好接地，就可使交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。金屬屏蔽體接地不好，屏蔽效果會(huì)下降。

4 結(jié)語

實(shí)際使用中，拾音器采用標(biāo)準(zhǔn)三芯XLR接口。利用模式選擇開關(guān)，進(jìn)行頻率高通或低通選擇。通過上述設(shè)計(jì)和考慮，實(shí)際完成的拾音器聲學(xué)效果十分理想。最終的拾音器成品，既適用于舞臺(tái)、錄音棚等高音質(zhì)需求的環(huán)境，也適用于會(huì)場(chǎng)、多媒體教室、車載免提電話等嘈雜背景下的環(huán)境。

設(shè)計(jì)和處理好單個(gè)拾音器的效果，為后續(xù)其他拾音器設(shè)計(jì)和應(yīng)用（如拾音器陣列等）打下良好基礎(chǔ)。

模擬拾音器雖增加了降噪、抑制干擾等措施，但無法從根本上濾除噪聲信號(hào)，而數(shù)字拾音器在處理手段方面更為靈活。顯然與模擬拾音器相比，數(shù)字拾音器有較大優(yōu)勢(shì)，但數(shù)字拾音器成本更高。

[1]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),第三版. 高等教育出版社

[2]王錦成.電磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究現(xiàn)狀.化工新材料,2002 30（7）

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.054