通過了解設(shè)計原理選擇合適的傳聲器（一）

布魯斯·巴特利特

【摘 要】 探討各種類型話筒的優(yōu)點和缺點，并將這些優(yōu)、缺點與各種類型的應(yīng)用場景關(guān)聯(lián)起來，通過了解這些方面的知識 幫助大家正確地選擇傳聲器。

【關(guān)鍵詞】 傳聲器；設(shè)計原理；優(yōu)、缺點；應(yīng)用場合

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.003

【Abstract】The author discusses the advantages and disadvantages of various types of microphones， and combines these advantages and disadvantages with various types of application scenarios. By understanding these knowledge， we can help you select the microphone correctly.

【Key Words】microphone； design principle； advantages and disadvantages； application occasions

對于某個特定應(yīng)用來說，什么類型的傳聲器最合適？我們應(yīng)該選擇電容傳聲器還是動圈傳聲器，是選擇全指向還是心形指向傳聲器，選擇頻響曲線平坦的還是擁有特定頻響特性的？筆者將會探討各種類型話筒的優(yōu)點和缺點，并將這些優(yōu)、缺點與各種類型的應(yīng)用場合關(guān)聯(lián)起來，通過了解這些方面的知識能夠幫助大家正確地選擇傳聲器。

理想狀態(tài)下，應(yīng)該會有一支適用于所有應(yīng)用場合的通用傳聲器。但實際上并沒有這么一種傳聲器，因為每一個應(yīng)用場合都有不同的使用需求。理想當中的功率放大器或揚聲器擁有線性傳輸特性，與之不同的是，傳聲器的頻響特性通常是專門為了某些特定類型的應(yīng)用進行優(yōu)化的。

例如，一個古典音樂錄音工程師為了精確地復(fù)制音色，需要的是一支頻響特性平坦的傳聲器。但是，一個流行音樂制作人可能想要的是通過一支高頻部分被提升的傳聲器來獲取較高的響度。

對于古典音樂錄音工程師來說，41 Hz的信號是音樂；而對于語音廣播工程師來說，這個頻段的聲音是噪聲。因此，用于古典音樂錄音的傳聲器擁有良好的低頻響應(yīng)特性，而用于語言信號拾取的傳聲器則在低頻段采用了滾降設(shè)計。

與之相近的是，舞臺上的歌手通常喜歡使用可以提升低頻（近講效應(yīng)）的傳聲器，使聲音聽起來更溫暖、更有力度。而具有同樣特性的傳聲器在錄音室使用又未經(jīng)均衡處理的話，則會使樂器的聲音聽起來渾濁。

此外，根據(jù)不同的應(yīng)用需求還存在著多種不同類型的傳聲器指向特性設(shè)計。全指向傳聲器——拾取所有方向上的聲音，適用于拾取演奏廳的混響聲。相對于全指向傳聲器來說，單一指向傳聲器拾取的混響聲和聲泄露較少，適用于當外部噪聲對聲音拾取質(zhì)量造成影響的場合，譬如現(xiàn)場錄音。

這些設(shè)計上的變化使得傳聲器布局的設(shè)計和使用都變得非常有趣。

1 傳聲器的特性

我們剛剛談到的是對不同頻響特性和指向特性的傳聲器的需求。但是，所有傳聲器都需要具備以下共性：

（1）低本底噪聲；

（2）高動態(tài)（能夠在不失真的前提下承受高聲壓）；

（3）較好抗射頻干擾能力；

（4）較低的機械噪聲（手持時的摩擦）；

（5）較低的風噪和pop噪聲（爆發(fā)性的呼吸聲）；

（6）最小化偏軸聲染色（在軸向和偏軸方向的頻響特性保持一致）；

（7）高靈敏度。

這些特性對于獲取清晰的聲音來說是必要條件：無噪聲、無失真、在偏軸方向無聲染色。還有一些其他特性需求，例如體積?。承r候）、強指向性（某些時候）、堅固耐用、低成本。

然而，我們不可能把所有上述需求集中在一支傳聲器內(nèi)，因為這些特性需求之間存在沖突。譬如，如果使用較大的隔柵網(wǎng)罩來消除pop噪聲的話，那么傳聲器的整體尺寸就會變得太大；如果通過加入內(nèi)置衰減電路來提高動態(tài)余量的話，那么信噪比會被降低。

總之，每一個設(shè)計上的決定都是出于折衷考慮。在某一個方面的特性獲得提升意味著在另一個方面的特性受到限制。

筆者撰寫此文的目的是描述這些設(shè)計上的折衷，使傳聲器用戶能夠更好地理解哪些特性在給定使用場景當中更為重要。通過了解設(shè)計上的折衷，能夠更明智地選擇適當?shù)膫髀暺鳌?/p>

2 傳聲器設(shè)計上的折衷

2.1 傳聲器類型概覽

首先，我們來了解一下不同類型的傳聲器如何將聲音轉(zhuǎn)換為電信號。應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域的傳聲器依據(jù)它們的工作原理可分為兩種類型：動圈或電容傳聲器。在動圈傳聲器當中，通過一個可移動的導(dǎo)體切割磁力線來產(chǎn)生電信號。動圈傳聲器又分為動線圈傳聲器和帶式傳聲器兩種。

動線圈傳聲器（通常被稱為動圈傳聲器）如圖1所示。一個與振膜連接的線圈懸掛在磁場內(nèi)。當聲波使振膜振動時，線圈也會在磁場內(nèi)振動從而產(chǎn)生與輸入聲波相近的電信號。

帶式傳聲器如圖2所示，一塊非常薄的金屬箔片或帶狀金屬片懸掛在磁場當中。聲波使懸掛在磁場內(nèi)的金屬片產(chǎn)生振動，并由此產(chǎn)生電信號。

電容傳聲器如圖3所示，一塊可以導(dǎo)電的振膜和一塊金屬板（背面電極）分別與電容的兩極相連。聲波使振膜振動的時候改變了振膜與金屬背板之間的體積，這種變化改變了電容量并由此產(chǎn)生與輸入聲波相近似的電信號。振膜與金屬背板可以通過外接設(shè)備或通過內(nèi)嵌于振膜或金屬背板的永極體供電。

2.2 如何在電容、帶式和動圈傳聲器之間選擇

物理結(jié)構(gòu)的差異使這三種類型傳聲器形成了不同的性能特性。

如果有以下使用需求時，較好的選擇是電容傳聲器：endprint

（1）極佳的瞬態(tài)響應(yīng)（例如，用于打擊樂器、大镲、原聲樂器和大編制合奏的聲音拾取等）；

（2）擴展的高頻響應(yīng)（用于頻譜帶寬延伸至高頻頻段的聲源拾?。?；

（3）高靈敏度（用于對原生音量較小的聲源進行遠距離拾取）；

（4）工作頻段較寬，頻響曲線平滑（適用于大多數(shù)要求真實重現(xiàn)聲源自然音質(zhì)的工作室）；

（5）較小的體積（領(lǐng)夾式傳聲器或界面?zhèn)髀暺鳎?/p>

如果有以下使用需求時，較好的選擇是動圈傳聲器：

（1）較慢的瞬態(tài)響應(yīng)（對過多細節(jié)實現(xiàn)衰減，例如對木管樂器或銅管樂器近距離拾音）；

（2）較低的價格（通常來說，動圈傳聲器價格低于電容傳聲器）；

（3）堅固耐用；

（4）承受高聲壓的能力（例如，用于電吉他音箱或鼓組的拾音）；

（5）低本底噪聲；

（6）受溫度和濕度的影響較??；

（7）更高的可靠性（不需要供電）。

如果有以下使用需求時，較好的選擇是帶式傳聲器：溫暖、平滑的聲音（例如，在對銅管樂器近距離拾音時可以使聲音聽起來沒那么“尖銳”）

需要注意的是，上述不同類型傳聲器的性能屬性是總體趨勢。譬如，有一些動圈傳聲器同樣具備平滑的頻響特性或高靈敏度特性，有些電容傳聲器則具備較好的動態(tài)余量并且堅固耐用。上面描述的傳聲器選擇是基于各類型傳聲器的共性提出的。

2.3 不同類型換能器的頻響特性

在圖4～圖7中，最左側(cè)一欄顯示的分別是四種換能器與頻率相對應(yīng)的振膜速率（實線）或與頻率對應(yīng)的振膜位移（虛線）。中間一欄顯示的分別是壓力階差（在振膜前端和后端的聲波壓力差）與振膜振動的關(guān)系。對于全指向傳聲器來說，振膜的后端是密封的外殼，因此，壓差與頻率之間的關(guān)系是恒定的。對于單指向或雙指向（壓力階差）傳聲器來說，振膜的后端會受到聲波的影響，并且與到達振膜前端的聲波之間存在時間差，因此，壓差隨著頻率的提高而增加。右側(cè)一欄顯示的是振膜速率和壓力階差相加之后的結(jié)果（動圈傳聲器）或振膜位移與壓力階差相加之后的結(jié)果（電容傳聲器）。相加之后的結(jié)果就是傳聲器的振幅/頻率響應(yīng)特性。

圖4所示為全指向動圈（全指向動線圈）換能器。這個類型的換能器對中頻共振存在阻尼，因此，振膜速率與頻率變化之間的關(guān)系保持了相對恒定。輸出電壓與振膜速率整成比。振膜正反兩端的壓力階差與頻率變化之間也處于恒定狀態(tài)，這是因為振膜的后端位于密封空間內(nèi)。因此，這一類型的傳聲器在大部分音頻信號頻率范圍內(nèi)都能夠保持平坦的響應(yīng)特性。

圖5所示為全指向電容換能器。這個類型的換能器對高頻部分的共振存在阻尼。振膜的速率每倍頻程提升6 dB，因此，振膜位移幅度與頻率變化之間的關(guān)系保持恒定，輸出電壓與振膜位移幅度成正比。壓力階差與頻率變化之間的關(guān)系保持恒定，因此，在大部分音頻信號頻率范圍內(nèi)保持平坦的頻率響應(yīng)特性。

圖6所示為單一指向的動圈換能器。這一類型的換能器對于低頻共振存在阻尼，其振膜速率在大部分頻率范圍內(nèi)都保持了每倍頻程下降6 dB的趨勢。輸出電壓與振膜速率成正比。但是，由于壓力階差在中高頻段出現(xiàn)每倍頻程提升6 dB的現(xiàn)象。因此，在大部分音頻信號頻率范圍內(nèi)仍然保持了平坦的頻率響應(yīng)特性。

圖7所示為單一指向電容換能器。這一類型的換能器對于中頻共振存在阻尼，其振膜速率與頻率變化之間的關(guān)系保持恒定，振膜位移則在大部分頻率范圍內(nèi)保持每倍頻程下降6 dB的趨勢，輸出電壓與振膜位移成正比。但由于壓力階差在大部分頻率范圍都保持每倍頻程提升6 dB的趨勢，因此，仍然能夠獲得平坦的頻率響應(yīng)特性。

3 各類傳聲器優(yōu)點和缺點

以下從幾個方面來對傳聲器的性能進行檢測，分析不同類型的傳聲器在每個受測方面的優(yōu)點和缺點。

3.1 瞬態(tài)響應(yīng)

由于電容傳聲器的振膜質(zhì)量較小并且阻尼較高，因此，對于變化速度較快的聲源，其響應(yīng)速度比動圈傳聲器更快（瞬態(tài)）。使用性能出色的電容傳聲器時，可以聽到敲擊镲片時的“砰”聲或者彈奏吉他和弦時撥弦的聲音。電容傳聲器能夠提供清晰、細節(jié)豐富的聲音，非常適合用于镲片、軍鼓、原聲樂器和人聲錄音等用途。

通常來說，動圈傳聲器的瞬態(tài)響應(yīng)弱于電容傳聲器。因此，動圈傳聲器可以用于需要對細節(jié)過于豐富的聲音進行“軟化”的應(yīng)用場合。

3.2 頻率響應(yīng)

由于換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計相對來說較為簡單，電容傳聲器通常來說能夠提供更為平滑的頻率響應(yīng)特性。同樣，由于結(jié)構(gòu)較為簡單，帶式傳聲器的無峰值頻響特性使其廣受贊譽。此外，帶式傳聲器的金屬箔片振膜被設(shè)計為波紋型，以降低破損的幾率。

與之相反，除了一些品質(zhì)非常出色的動圈傳聲器之外，一般來說動圈傳聲器的頻響特性沒有電容傳聲器或帶式傳聲器那么平坦。動圈傳聲器的換能器結(jié)構(gòu)中包含一個可與振膜活塞機構(gòu)脫離的線圈，或者說可以前后運動的線圈。這個結(jié)構(gòu)特性使得動圈傳聲器的頻率響應(yīng)特性存在峰值的限制。此外，由于線圈在聲學(xué)上將振膜機構(gòu)分割為兩個聲腔，從而與磁隙慣量產(chǎn)生共振并導(dǎo)致頻率響應(yīng)異常。電容傳聲器和帶式傳聲器的振膜同樣為可分離結(jié)構(gòu)，但通常來說對頻率響應(yīng)的影響程度較低。

由于振膜質(zhì)量較小，電容傳聲器通常能夠提供比帶式或動圈傳聲器更出色的高頻響應(yīng)特性。盡管帶式傳聲器的振膜質(zhì)量也較小，但由于振膜前端和后端之間的聲學(xué)相位干涉作用會導(dǎo)致在高頻區(qū)域形成抵消。這是由于高頻部分的波長很短，在帶式振膜兩側(cè)的信號有可能會形成極性相反，因此會產(chǎn)生聲學(xué)抵消現(xiàn)象。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，這個問題在電容或動圈傳聲器當中并不會出現(xiàn)。在振膜后方的高頻能量或被傳聲器外殼衰減（全指向傳聲器），或被聲學(xué)相位偏移網(wǎng)絡(luò)消除（單一指向傳聲器）。

動圈傳聲器的高頻響應(yīng)特性可以通過設(shè)置在振膜前方的赫姆霍茲（Helmholz）諧振器實現(xiàn)擴展。該諧振器是擁有一個或多個聲波入口的小尺寸氣室，在高頻部分產(chǎn)生的諧振能夠改善動圈傳聲器的高頻響應(yīng)表現(xiàn)。但是，這個設(shè)計仍然有一定的局限性，在高于諧振器共振點的頻段會出現(xiàn)衰減以及更高程度的相位偏移。該諧振器也經(jīng)常應(yīng)用于電容傳聲器設(shè)計當中，但通常來說所需的高頻能量提升會小于動圈傳聲器。endprint

3.3 靈敏度

△C指由于振膜移動使電容的兩極距離減少或增加而產(chǎn)生的電容變化量。

電壓越高，靈敏度越高。但是過高的電壓會導(dǎo)致振膜由于靜電斥力的原因被吸附在背面電極上，阻礙振膜的振動。

電容量變化越大，電壓變化越大（也就是說，輸出信號電壓越大）。振膜的面積越大或振膜與背面電極之間的距離越小，電容量的變化越大。然而，大尺寸振膜由于衍射等因素影響，容易在偏軸方向產(chǎn)生聲染色；而降低振膜與背面電極之間的距離非常困難并且造價昂貴，需要在組裝過程中非常小心地避免微塵顆粒進入振膜和背面電極之間的空腔。因此，傳聲器制造廠商必須找尋一個適當?shù)恼壑越鉀Q方案。

磁通密度越高，線圈的匝數(shù)越多，輸出電壓越高。但是，尺寸過大的磁體可能會在聲學(xué)上影響頻率響應(yīng)特性，同時也會增加傳聲器的尺寸和重量。同樣，線圈的匝數(shù)過多會增加動圈機構(gòu)的質(zhì)量，導(dǎo)致傳聲器對高頻響應(yīng)的劣化。如果通過縮小磁隙來獲取更高的磁通密度的話，很難確保線圈不會與磁極產(chǎn)生摩擦。值得一提的是，例如釤鈷磁鐵等新型磁體材料能夠以較小的體積產(chǎn)生較高的磁通密度。

帶式傳聲器的靈敏度低于動圈傳聲器的原因是，帶式傳聲器只有一個低阻抗導(dǎo)體（帶狀金屬箔片）來產(chǎn)生電信號，需要大尺寸磁體和升壓器來提升輸出電壓。此外，帶狀金屬箔片依靠振膜正反兩側(cè)的壓差（壓力階差）驅(qū)動，這種壓差對于雙指向性的帶式傳聲器設(shè)計來說甚至小于單一指向設(shè)計的動圈傳聲器。

3.4 尺寸

與動圈傳聲器相比，電容傳聲器的體積可以小很多。動圈傳聲器需要一定體積的磁體和音圈才能夠提供足夠的輸出電壓，但即使振膜面積小于1 cm2的電容傳聲器也能夠提供足夠的輸出電壓。

3.5 最大聲壓級

一個設(shè)計良好的動圈傳聲器可以承受非常大的聲壓而不會在輸出端產(chǎn)生過多的失真。即使是非常高的聲壓也只會使振膜產(chǎn)生輕微的振動。但是電容傳聲器所使用的電器元件很容易由于換能器產(chǎn)生的電信號導(dǎo)致過載。如果在換能器和電器元件之間插入衰減器來避免過載的話（譬如，用來增加最大聲壓級承受能力），那么信噪比也會相應(yīng)下降。如果傳聲器電器元件的動態(tài)余量采用最大化設(shè)計時，通常來說需要付出的代價就是消耗更多的電流和更高的本底噪聲。換能器制造商必須對所有這些影響因素進行綜合考慮，并根據(jù)實際應(yīng)用需求來決定適合的設(shè)計方案。

3.6 本底噪聲

例如，如果一個噪聲信號電壓為-133 dBV、靈敏度為-75 dBV/μbar的傳聲器，其本底噪聲為16 dB SPL。這項數(shù)值是根據(jù)無計權(quán)測量結(jié)果進行計算的。如需要A計權(quán)參數(shù)則需要通過模擬人耳頻響曲線的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)進行測量（在低于1 kHz以下的頻率進行滾降處理）。根據(jù)A計權(quán)測量結(jié)果計算所的數(shù)值相對來說更接近人耳的聽感。

一支本底噪聲極低的電容傳聲器指標為14 dBA。如果一支電容傳聲器的本底噪聲指標低于20 dBA的話，通常被認為是非常出色；如低于30 dBA，通常被認為是性能良好的電容傳聲器。

3.7 供電系統(tǒng)需求

電容傳聲器需要外接電源供應(yīng)系統(tǒng)才能夠工作，譬如電池或外置的幻像電源系統(tǒng)。幻像電源是通過傳聲器連接器的pin 2和pin 3來傳輸?shù)?2 V～48 V直流電。傳聲器使用相同的兩條導(dǎo)線接受幻像供電和發(fā)送音頻信號。很多調(diào)音臺都支持通過其信號輸入接口為傳聲器提供幻像電源，用戶只需要將傳聲器與調(diào)音臺的輸入端口連接就可以獲取幻像電源。

與之相反，動圈傳聲器不需要任何供電系統(tǒng)就可以工作，因此，可靠性更高。

3.8 耐用性

一支設(shè)計良好的動圈傳聲器通常來說都非常耐用，并且可以在一定程度的惡劣使用條件下保持性能完好。一些現(xiàn)代的電容傳聲器也具備相同的耐用性，盡管它們復(fù)雜的電氣組件可能看起來很脆弱。反之，帶式振膜則非常脆弱，大風或惡劣的使用習(xí)慣都有可能導(dǎo)致振膜變形。

高溫和高濕度都有可能導(dǎo)致駐極體損壞，但對動圈換能器來說則影響不大。過高的濕度會導(dǎo)致電容傳聲器的振膜與背面電極之間的狹小空間充滿水汽，從而導(dǎo)致?lián)Q能器失效。對于動圈換能器來說，線圈和磁體之間的空隙較大，因此，在高濕度環(huán)境下受到的影響較小。

（未完待續(xù)）

（編輯 薛云霞）endprint