橢圓形傳聲器膜片對(duì)錄音音質(zhì)的影響

曹 菊，孟子厚

（中國(guó)傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024）

音響技術(shù)

橢圓形傳聲器膜片對(duì)錄音音質(zhì)的影響

曹 菊，孟子厚

（中國(guó)傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024）

為一款大振膜錄音傳聲器設(shè)計(jì)了一組橢圓形的振膜結(jié)構(gòu)，并制作了相應(yīng)的樣件。通過(guò)對(duì)橢圓形振膜、傳聲器樣件的客觀指標(biāo)以及主觀音質(zhì)聽(tīng)感三個(gè)方面的比對(duì)分析，探究了橢圓振膜的電容錄音傳聲器與主觀音質(zhì)聽(tīng)感之間的關(guān)系。

傳聲器；橢圓振膜；客觀參數(shù)；主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)

目前的樂(lè)器錄音傳聲器大部分是針對(duì)打擊類(lèi)樂(lè)器（如低音鼓、軍鼓等）的錄音傳聲器。從錄音傳聲器的制作來(lái)看，大多只是根據(jù)不同樂(lè)器的頻率范圍、最大聲壓級(jí)修正傳聲器的頻響曲線和調(diào)整其聲壓級(jí)范圍，之后再選擇合適的指向性等。然而，每一種樂(lè)器都有其自身的聲學(xué)特性，僅僅通過(guò)調(diào)整錄音傳聲器的某些客觀物理指標(biāo)，是難以完全滿(mǎn)足不同的樂(lè)器錄音的。在客觀指標(biāo)方面，大多相同尺寸的大振膜錄音傳聲器的電聲指標(biāo)參數(shù)相差不大，但是其錄制的聲音質(zhì)量的主觀聽(tīng)感卻存在較大差距[1]～[2]。雖然部分客觀指標(biāo)和主觀音質(zhì)聽(tīng)感可以通過(guò)后端電路以及效果設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，但要系統(tǒng)地探究這一問(wèn)題，就有必要對(duì)傳聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，而在電容式傳聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，振膜是傳聲器聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。因此，在傳聲器的其余結(jié)構(gòu)均保持不變的前提下，筆者通過(guò)改變傳聲器振動(dòng)膜片分析其相應(yīng)的有效振動(dòng)區(qū)，探究有效振動(dòng)區(qū)域?yàn)闄E圓形時(shí)，傳聲器電聲指標(biāo)與主觀音質(zhì)聽(tīng)感之間的關(guān)系，為特定的樂(lè)器錄音傳聲器的設(shè)計(jì)尋找實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 振膜的設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)中選擇的傳聲器膜片的形狀是橢圓形，將橢圓的長(zhǎng)短軸的比例按照音樂(lè)學(xué)中不同音程的協(xié)和比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

橢圓形膜片是在常規(guī)圓形膜片的基礎(chǔ)上制作完成，首先按照長(zhǎng)短軸的比例關(guān)系制作相應(yīng)的繃膜環(huán)，繃膜環(huán)的線切割誤差應(yīng)嚴(yán)格控制 0.05 mm以?xún)?nèi)，之后將厚度為6 μm的Mylar聚酯白膜貼在繃膜環(huán)上，再經(jīng)蒸鍍金工藝生產(chǎn)而成[3]。實(shí)際圓形振膜有效振動(dòng)直徑2a=2.794 cm，有效半徑為1.397 cm。表1是實(shí)驗(yàn)用橢圓形振動(dòng)膜片的參數(shù)，制作膜片的樣件如圖1所示，其中1號(hào)～13號(hào)為相應(yīng)橢圓形振膜，14號(hào)為常規(guī)形狀的傳聲器振膜。

表1 橢圓形振膜的參數(shù)

圖1 橢圓形振膜片樣件

圖2 1號(hào)～6號(hào)、14號(hào)傳聲器頻響曲線

2 電聲指標(biāo)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中，用于裝配樣件傳聲器的元件規(guī)格和尺寸必須嚴(yán)格一致。測(cè)試電聲指標(biāo)時(shí)，所有待測(cè)實(shí)驗(yàn)用傳聲器共用一個(gè)前置放大器。同時(shí)，將組裝好的實(shí)驗(yàn)用傳聲器按照振膜序號(hào)進(jìn)行相應(yīng)編號(hào)（1號(hào)～13號(hào)，14號(hào)為相應(yīng)的常規(guī)傳聲器），實(shí)驗(yàn)在消聲室中進(jìn)行，通過(guò)DAAS音頻分析測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)傳聲器樣件的頻響曲線和靈敏度級(jí)進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)傳聲器樣件的頻響曲線的測(cè)量結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2是1號(hào)～6號(hào)傳聲器以及14號(hào)常規(guī)傳聲器的頻響曲線圖。從中可以看出，隨著橢圓面積的變小，低頻部分略有衰減。與14號(hào)相比，1號(hào)和2號(hào)的頻響曲線與14號(hào)相近，幾乎無(wú)差別，因?yàn)?號(hào)和2號(hào)的橢圓有效面積比較接近圓形。其余3號(hào)～6號(hào)傳聲器與14號(hào)傳聲器相比，中高頻差異不大，但低頻有所衰減。

圖3是7號(hào)～11號(hào)以及常規(guī)14號(hào)傳聲器的頻響曲線圖。其中，7號(hào)～11號(hào)橢圓面積逐漸變小，可以看出，隨著橢圓有效面積的變小，低頻略有衰減。觀察圖3可以看出，與14號(hào)相比，7號(hào)～11號(hào)的低頻都有嚴(yán)重衰減，這很有可能是因?yàn)闄E圓面積的減小而導(dǎo)致低頻衰減明顯增加。中頻段比較一致，高頻段的峰值較14號(hào)均有所提升，但提升幅度較小。

圖3 7號(hào)～11號(hào)、14號(hào)傳聲器頻響曲線

圖4 12號(hào)～14號(hào)傳聲器頻響曲線

表2 傳聲器的靈敏度級(jí)與橢圓有效面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4中可以看出，雖然在低頻段12與13號(hào)衰減得比較厲害，但是在中頻段幾乎無(wú)差別，在高頻段，12號(hào)的高峰峰值有明顯增加。

另外，實(shí)驗(yàn)用傳聲器靈敏度級(jí)與橢圓有效面積間關(guān)系的測(cè)量結(jié)果如表2和圖5所示。

由以上數(shù)據(jù)和圖表可知，有效振動(dòng)面積越大，傳聲器靈敏度總體相對(duì)越高，且傳聲器靈敏度隨著振膜有效面積增加呈線性變化。

綜上，結(jié)合頻響曲線以及靈敏度與橢圓振膜有效面積之間的變化可以看出，橢圓形振膜結(jié)構(gòu)中，振膜有效面積相近的傳聲器，其靈敏度級(jí)和頻率響應(yīng)都是相近的。

3 主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)

雖然實(shí)驗(yàn)樣件的一些客觀參數(shù)表明，在橢圓有效面積相近的情況下，傳聲器的部分客觀參數(shù)比較一致，但也不能說(shuō)明它們對(duì)錄音音質(zhì)影響是一樣的。所以，下面以琵琶錄音為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣件進(jìn)行主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[4]。

從琵琶的聲音特點(diǎn)、曲目類(lèi)型以及錄音傳聲器對(duì)琵琶聲音錄制的影響三方面來(lái)考慮，最終選取清晰度、力度和柔和度作為評(píng)價(jià)琵琶傳聲器的3個(gè)指標(biāo)；并選取具有代表性的評(píng)價(jià)曲目片段，分別是：柔和度——《琵琶語(yǔ)》片段、清晰度——《梁?！菲?、力度——《十面埋伏》片段。

對(duì)以上具有不同橢圓形狀振膜的傳聲器進(jìn)行主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)偶比較法求得14支實(shí)驗(yàn)用傳聲器的主觀音質(zhì)聽(tīng)感的平均偏愛(ài)度[5]。圖6～圖8分別是14支傳聲器針對(duì)不同主觀評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)的偏愛(ài)度分布圖。

從圖6可以看出，橢圓形振膜方案中，12號(hào)、13號(hào)和1號(hào)傳聲器的力度表現(xiàn)最好，而7號(hào)、8號(hào)、4號(hào)和14號(hào)傳聲器的力度表現(xiàn)力較差。從圖7可以看出，5號(hào)、12號(hào)和14號(hào)傳聲器清晰度的表現(xiàn)力最好，7號(hào)和8號(hào)傳聲器的力度感較差，其長(zhǎng)短軸比例關(guān)系分別為小六度和大六度，而這兩種音程關(guān)系在樂(lè)段中幾乎不大出現(xiàn)。橢圓形振膜方案的1號(hào)、12號(hào)和13號(hào)傳聲器整體力度的表現(xiàn)力最好，而7號(hào)、8號(hào)和、9號(hào)和13號(hào)傳聲器的清晰度表現(xiàn)力較差。圖8所示的柔和度評(píng)價(jià)結(jié)果可以得到，3號(hào)、13號(hào)和6號(hào)傳聲器的柔和度相對(duì)較差。

圖5 靈敏度級(jí)與膜片有效面積的變化趨勢(shì)

圖6 力度的心理偏愛(ài)度

圖7 清晰度的心理偏愛(ài)度

圖8 柔和度的心理偏愛(ài)度

對(duì)傳聲器3項(xiàng)主觀音質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行平均，得到各樣件傳聲器平均偏愛(ài)度的分布，如圖9所示?？梢钥闯觯瑱E圓形振膜方案中，1號(hào)、5號(hào)和12號(hào)傳聲器的主觀音質(zhì)綜合表現(xiàn)最好。從傳聲器的客觀特性來(lái)看，1號(hào)橢圓振膜和14號(hào)常規(guī)振膜的頻響曲線十分接近，1號(hào)的主觀音質(zhì)綜合表現(xiàn)較好，而14號(hào)則相對(duì)較差。這一點(diǎn)也可以看出，僅僅依據(jù)傳聲器的客觀參數(shù)（如頻響曲線）并不能全面、真實(shí)地反映傳聲器的音質(zhì)。

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是探討傳聲器膜片設(shè)計(jì)方案對(duì)錄音音質(zhì)的影響，而相關(guān)文獻(xiàn)中也對(duì)樂(lè)器錄音中的聲學(xué)問(wèn)題及其錄音傳聲器的選擇等問(wèn)題進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究[6]～[7]。由于本次實(shí)驗(yàn)中各傳聲器橢圓形振膜的設(shè)計(jì)方案借鑒了音樂(lè)中音程協(xié)和性的概念，因此，將傳聲器的主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與琵琶音程的主觀協(xié)和性之間的關(guān)聯(lián)也進(jìn)行了分析，如圖10所示。其中，藍(lán)色折線代表琵琶和聲音程的主觀協(xié)和性評(píng)價(jià)結(jié)果[8]，可以看出，大三度、純四度、純五度和純八度的協(xié)和性更好，也就是這些琵琶音程的聲音聽(tīng)起來(lái)相對(duì)更為悅耳。另外三條折線是各橢圓振膜傳聲器的力度、柔和度和清晰度的評(píng)價(jià)結(jié)果。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳聲器振膜的長(zhǎng)短軸比例為純四度音程頻率比（4:3）時(shí)，其力度、清晰度、柔和度3個(gè)指標(biāo)的主觀聽(tīng)感結(jié)果都較好，也就是圖9中平均偏愛(ài)度較好的5號(hào)傳聲器，且純四度琵琶音程的主觀協(xié)和性也較好，這一點(diǎn)正好體現(xiàn)了傳聲器的綜合音質(zhì)評(píng)價(jià)與其錄制樂(lè)器聲的協(xié)和性之間的某種吻合。根據(jù)以上分析可以推測(cè)，琵琶錄音綜合音質(zhì)最佳的橢圓形振膜傳聲器的長(zhǎng)短軸比例可能為純四度音程頻率比關(guān)系。

圖9 平均心理偏愛(ài)度

圖10 琵琶的音程協(xié)和性與橢圓傳聲器音質(zhì)評(píng)價(jià)的對(duì)比

另外，表現(xiàn)力度感的《十面埋伏》樂(lè)段中，主要音程為純四度和純五度，并且12號(hào)與13號(hào)傳聲器的力度感也是最好的，與該樂(lè)段中主要音程關(guān)系較一致。表現(xiàn)清晰度的《梁?！窐?lè)段中，主要音程為純八度、純四度和純五度，且14號(hào)、12號(hào)和5號(hào)傳聲器的清晰度最好，也體現(xiàn)了這種一致性?！杜谜Z(yǔ)》中，主要音程為純四度、純五度和小二度，同時(shí)還有大二度、大六度等其他音程，而傳聲器的膜片比例與樂(lè)段音程的一致性并非與柔和度評(píng)價(jià)結(jié)果明顯相關(guān)，一致性最好或最差都會(huì)降低其柔和感，如13號(hào)傳聲器和3號(hào)傳聲器。

4 小結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)用傳聲器的電聲參數(shù)和主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析可知，傳聲器的靈敏度受振膜有效振動(dòng)區(qū)域面積的影響較大，橢圓振膜結(jié)構(gòu)中橢圓有效面積相近的傳聲器，其靈敏度級(jí)和頻率響應(yīng)均無(wú)較大差別。隨著橢圓面積逐漸變小，頻響曲線的低頻有所衰減，中頻段比較一致，高頻段的峰值較常規(guī)的均有所提升，但提升幅度較小。

在所有參與實(shí)驗(yàn)的傳聲器樣件中，按小二度、純四度、黃金分割比例設(shè)計(jì)的橢圓形振膜，其錄制的琵琶樂(lè)段的綜合音質(zhì)相對(duì)更好，并且與琵琶音程的純四度協(xié)和性較好這一點(diǎn)相一致。另外，錄制的三段琵琶樂(lè)段中，純四度、純五度和八度音程等協(xié)和音程較能表現(xiàn)琵琶聲音的力度感和清晰感；而小二度、大二度、大六度等較不協(xié)和音程則可以增加旋律的柔和感。當(dāng)橢圓振膜的長(zhǎng)短軸比例與琵琶樂(lè)段中的音程一致性較高時(shí)，錄制琵琶樂(lè)音的力度感和清晰度均較好；而對(duì)于柔和感的評(píng)價(jià)，則這種一致性似乎在某一平衡范圍才能達(dá)到最佳。

[1] 華子興. 傳聲器的現(xiàn)狀和發(fā)展分析[J]. 電聲技術(shù)，2007（1）.

[2] 鄭之風(fēng)，孟子厚. 幾款國(guó)產(chǎn)專(zhuān)業(yè)傳聲器的音質(zhì)評(píng)價(jià)與分析[J]. 演藝科技, 2010（10）.

[3] 劉建丹. 電容式錄音傳聲器振膜蒸鍍區(qū)域?qū)σ糍|(zhì)的影響[D]. 北京：中國(guó)傳媒大學(xué)，2014.

[4] 孟子厚. 音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)心理學(xué)方法[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2008.

[5] 劉建丹，鄭雯雯. 監(jiān)聽(tīng)音箱聽(tīng)音覆蓋角度的測(cè)聽(tīng)[J].音響技術(shù)，2013.

[6] 張婧穎，楊倩，孟子厚. 二胡錄音的聲學(xué)問(wèn)題[A]. 中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2011-11.

[7] 楊倩，張婧穎，孟子厚. 二胡錄音的傳聲器選擇[A]. 2011年聲頻工程學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集. 2011-9.

[8] 王鑫. 民樂(lè)交響性問(wèn)題中彈撥樂(lè)器聲音協(xié)和性研究[D]. 北京：中國(guó)傳媒大學(xué)，2011.

（編輯 薛云霞）

The Inf l uence of Elliptical Microphone Diaphragm on Sound Quality

CAO Ju, MENG Zi-hou
(Communication Acoustics Laboratory, Communication University of China, Beijing 100024, China)

In this paper, the author designs a elliptic diaphragm of the large diaphragm recording condenser microphone, then make some sample. Through the comparison and analysis of the elliptic diaphragm, objective index of microphone and evaluation of subjective sound quality, the relationship between elliptical diaphragm of recording condenser microphone and evaluation of subjective sound quality was explored.

microphone; elliptical diaphragm; objective parameter; evaluation of subjective sound quality

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.009