第二章传声器

第二章传声器

在整个声频系统中，从音质角度来说电声换能器件是最薄弱的环节，而传声器是整个系统的第一环节。例如，对广播电台来说，它是广播节目通过的第一关。如果传声器质量低劣，或选用不当，或者放置方法欠佳，那么所产生的不良后果往往不能在以后各个环节中予以校正或改善。由此可以看出它的重要作用。在整个声频系统中，从音质角度来说电声换能器件是最薄弱的环节，而传声器是整个系统的第一环节。例如，对广播电台来说，它是广播节目通过的第一关。如果传声器质量低劣，或选用不当，或者放置方法欠佳，那么所产生的不良后果往往不能在以后各个环节中予以校正或改善。由此可以看出它的重要作用。 • 传声器与扬声器、耳机等同为典型的电声换能器件，但一个是声电换能，另一个是电声换能。

传声器 §1 传声器的种类和主要技术特性一、传声器的种类 • 传声器的应用是在十九世纪后叶随着电话的出现才开始的。那时对传声器只是要求讲话的可懂度，早先在那种技术条件下研制的碳粒传声器噪声大，动态范围有限，失真大，但是把它作为电话使用时，所有这些缺点都无关紧要，直至今天仍然还在使用着。 • 从本世纪初开始，随着广播电影事业的兴起，经过研制，多种传声器相继问世，几十年来传声器的技术及制作工艺都有突飞猛进的发展。传声器的种类和主要技术特性

传声器 传声器的分类 1. 按能源分类 • 无源传声器：不需要任何有源电功率，直接由声能转变为电能，如电动式、电磁式和电压式。 • 有源传声器：需外加电能，使直流电能受声振动的调制，并与声振动同步，把声波转换为电信号，如碳粒传声器和无线电容传声器。传声器的种类和主要技术特性

传声器 传声器的分类 2. 按换能原理分类 • a.永磁式换能器——按电磁感应定律工作，输出电压与膜振动速度成正比，动圈式、（铝）带式、电磁式。 • b.电容式换能器——改变内部电场实现换能输出电压与膜振动幅度成正比，属于幅度型换能器，此类传声器还有碳粒传声器、压电传声器、驻极体传声器。传声器的种类和主要技术特性

传声器 传声器的分类 3. 按声场驱动力形成的方式分类 • a.压强式传声器 • 振动单面暴露在声场中，背面密封，对来自各个方向的声波只要作用在振动表面的压强相同，则振膜都作出同样的反应，所以压强式传声器是一种全指向性的换能器。 • b.压差式传声器 • 取决于振膜前面和背面瞬间的声压值差（即对声压梯度产生响应）由于来自各个方向的声波作用在振膜两面的声压值不同，所以压差式传声器对不同方向声音的换能灵敏度有很大差异，因此压差式传声器是具有指向性的传声器。传声器的种类和主要技术特性

传声器 传声器的分类 • 所有传声器除了碳粒传声器只能是压强换能器以外，其它各种形式的传声器，既可是压强式换能器，也可以是压差换能器。制造过程可以用声学方法或电路措施来实现压差或压强。传声器的种类和主要技术特性

传声器 二、传声器的主要技术特性 • 1.灵敏度 • 灵敏度表示传声器的声电转换效率，它的定义为：在自由声场中，当向传声器施加一个声压为1微巴（μbar）的声信号，传声器的开路输出电压，即为该传声器的灵敏度。 • 它的量纲是毫伏/微巴。 • 电动式传声器的灵敏度级为0.2mv/μbar，电容式传声器由于有内装前置放大器，所以灵敏度要高10倍左右，约在2mv/μbar。 • 传声器的灵敏度通常用分贝dB表示。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 它是以1V为参考电压，即规定1V/ubar为0dB。由于传声器的开路输出电压均是毫伏级，所以传声器灵敏度总是负分贝值。 • 例如，CD3－5型动圈式传声器的灵敏度。 • 由此说明传声器的灵敏度与其输出阻抗成正比的，同一传声器的高阻抗输出的灵敏度比低阻抗输出的灵敏度高。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 2.频率响应 • 传声器在主轴上的灵敏度随频率而变化的特性称频率响应。 • 传声器的频响曲线，大多是一条中段比较平坦，左右两端起伏较大，然后向左右跌落的曲线。 • 一般的表示方法： • a．300－3000Hz≤±1dB （或≤2dB） • b．200－5000Hz≤±2dB （或≤4dB） • c．150－8000Hz≤±3dB （或≤6dB）传声器的种类和主要技术特性

传声器 图3.1 话筒的频率响应曲线传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 3.指向特性 • 传声器自由声场灵敏度随入射声波方向的改变特性称为传声器指向性。 • 全指向特性的传声器 • 它对来自360°方向的声波都是有同等检拾能力，压强式传声器的指向性即为无指向性。 • 8字形指向特性 • 传声器的主轴和背面检拾声波能力最强，传声器两侧面的检拾能力几乎等于零。压差式传声器都具有8字形指向性。 • 无指向特性和8字形指向特性属于二种最基本的指向特征。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 将压强式、压差式进行有效的组合，取不同的比例，可获得心形指向特性，锐心形、超心形。 • 锐心形：压差＞压强量，前后灵敏度比为2：1。 • 心形：主轴拾音灵敏度很高，灵敏度背面理论上为0，实际背面比主轴低20dB左右。等量的压强和压差组合，呈单向性。 • 超心形：压差量＜压强量，单向性，前后灵敏度比为4：1。传声器的种类和主要技术特性

传声器 一个话筒方向性响应表明在不同的声波入射角下话筒灵敏度（输出电平）的变化。入射角是指与话筒主轴（前方）的夹角。该图称为话筒的极坐标响应或极坐标图案，它以图解方法给出了话筒在360°角范围内由方向和频率决定的灵敏度。图3.2 话筒的方向轴传声器的种类和主要技术特性

传声器 图3.4 典型的双向性话筒特性图3.3 典型的全向话筒特性传声器的种类和主要技术特性

传声器 图3.5 双向性和全向性组合的方向性图传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 4.输出阻抗 • 传声器有一定的内阻，从传声器输出端看入的阻抗称为传声器的输出阻抗。（通常是指1000Hz时的阻抗）由于有些类型的传声器附加有传声器，所以通常600Ω（低阻抗）与10KΩ（高阻抗）作为标准。 • 一般的传声器是高阻抗型，可以直接与放大器连接，使用方便。但连线过长时，由于线间电容会使高声频衰减，容易受噪声影响。连线长度不应超过5米。低阻抗型传声器是广播电台所用的高级传声器，连线长不会影响高声频衰减，抗干扰性能好。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 在过去，高阻抗话筒用起来较便宜，因为电子管式放大器的输入阻抗很高。在使用低阻抗话筒，电子管放大器需要较贵的输入变压器。然而，所有的电动话筒都是低阻抗器件，那些有高阻抗输出的是通过使用一个内置阻抗升高变换器获得的。 • 高阻抗话筒的缺点是它们的高阻抗电缆的长度增加时，电容量就变大，直到、20至50英尺长时，电容量开始短路掉由话筒拾取的许多高频信息。由于这些原因，高阻抗话筒很少应用于专业录音工艺中。传声器的种类和主要技术特性

传声器 图3.6 不平衡式话筒电路高阻抗话筒和仪器线使用不平衡电路（见图3.6），一条信号线向一个负载装置提供正电势，而第二条地线屏蔽线用来完成信号的回路。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 平衡电路的工作原理是在两条导线中音频信号的交变电流极性是相反的，而任何静电的或电磁的拾音会同时地以同极性感应在相关的两条导线中（见图3.7）。输入变压器或平衡放大器只对两条导线间的差电压起响应，结果是不要的信号相抵消，而音频信号不受影响。 • 大多数录音棚中所用的话筒线是200Ω的平衡线，屏蔽线只在前置放大器端和话筒手柄上接地。传声器的种类和主要技术特性

传声器 图3.7 平衡式话筒电路

传声器 • 两导线正确的极性连接已有标准供采用，平衡的XLR连接头规定：第2脚为正（+）或“热”端，第3脚为（—）或“中性”端，外层屏蔽和电缆接地线连接在第1脚上。 • 如果在一个音乐或制作录音室中，平衡话筒线的正极或负极任意地连接，则若干话筒（或是其装备）可能以相反的极性连接。例如，如果一个乐器由相位连接不恰当的两个话筒拾音，则当混合单声时乐器声会全部地或部分地被消除。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 5.电噪声 • 在没有声波作用于传声器时，由于周围空气压力的起伏和传声器电路的热噪声，传声器的输出端有一定的噪声电压。这一噪声电压常称为固有噪声或固有电噪声。 • 传声器所能接收的最低声压级必须大于传声器固有噪声20dB，才能不被固有噪声所掩蔽。传声器的种类和主要技术特性

传声器 • 6.最大允许声压级和动态范围 • 强声压作用下，传声器输出会产生非线性畸变。通常以谐波畸变量的0.5％为容许上限，称为传声器的最大容许声压级。一般专业用传声器110dB以上。 • 传声器上限受非线性畸变限制，下限受到固有噪声限制，因此传声器动态范围是最大容许声压级减去固有噪声级。传声器的种类和主要技术特性

传声器 各类传声器的典型技术特性传声器的种类和主要技术特性

传声器 §2 常用传声器的工作原理 • 一、电动式传声器 • 电动式传声器一般分动圈式和（铝）带式两种 • 动圈式：风靡了半个世纪，80年代优质电动传声器已与电容式传声器十分接近 • （铝）带式：结构和机械性能差，属于速度型传声器常用传声器的工作原理

传声器 • 1.工作原理 • 根据电磁感应定律：E＝B·L·V • 电动式或动圈式传声器是一个压力式装置，它由一个附在一块精巧的振膜上并被悬挂在永久磁铁的磁场中的细线圈组成，当声压波碰撞振膜时，振动波就按波强的大小使线圈运动，并令之切割永久磁铁产生的固定磁力线，线圈中感应出电流，其大小随声音的强弱变化而变化，再经变压器输出从而完成了声能转变成电能的过程。常用传声器的工作原理

传声器 2.动圈式话筒构造图3.8 动圈话筒常用传声器的工作原理

传声器 • 动圈式话筒，如图3.7所示，通常有一个约0.35密耳（mil）厚的聚酯薄膜。在这个薄膜上精细地附着一个绕有导线的芯，叫做音圈，它精确地悬挂在一个高强度磁场中。 • 当一个声波冲击这个薄膜的表面（A）时，附着的音圈（B）随声波的频率和振幅成比例地移动，使音圈切割由一个永久磁铁（C）提供的磁力线。这样，在音圈导线中产生了一个模拟电信号（有着特定大小和方向）。常用传声器的工作原理

传声器 3.铝带式话筒构造图3.9 铝带话筒细节图常用传声器的工作原理

传声器 • 与动圈话筒相似，带式话筒如图3.8所示，也依靠电磁感应原理工作。然而，这个系统使用极薄（2μm）的铝带做振动膜。经常地，这个振动膜横向地（沿其长度）做成波纹状，挂在一个强磁场中。当声压变动使金属振动膜依空气粒子速度而移动时，铝带将切割磁力线，于是在铝带中感应出与声波的振幅和频率成比例的电流。 • 由于铝带振动膜很短（与动圈音圈相比），它的电阻只有约0.2欧。这个阻抗太小，不能直接驱动话筒的输入级，因此必须用一个升压变压器使输出阻抗达到一个可接受的150～600欧的范围。常用传声器的工作原理

传声器 • 为了提高动圈式传声器灵敏度，音圈的体积做得很小，音圈的阻抗值约在10Ω左右。扩音机、放大器、录音机输入端很难与之相匹配，故一般还需在输出端装一只低损耗的变压器，以提高动圈式传声器的输出阻抗。 • 有的传声器在外壳上设有阻抗变换开关，变换变压器的匝数比，从而获得不同的输出阻抗，以适应各种情况下的使用要求。常用传声器的工作原理

传声器 • 4.特点 • 缺点：易产生磁感应噪声，频响窄，灵敏度低 • 优点：价格低廉，结构简单，结实，性能稳定，使用方便，适合于语言广播常用传声器的工作原理

带式技术的新近发展 • 在过去的30年中，某些话筒厂家在使带式话筒小型化和改进其工作特性方面取得了长足进展。 • 例如：Beyerdynamic设计了Beyerdynamic M260和M160系统。在M260系统中，使用了稀土元素磁铁来产生一个磁结构，小得足以放进一个2英寸的栅网球中，它远比例如RCA44或77的传统带式话筒小得多。铝带沿纵长成波纹状使其强度增大，并在两端给予它灵活性。这个带只有3微米厚，约0.08英寸宽，0.85英寸长，仅重0.000011盎司。

传声器 • 一个塑料喉装配在带上，用来容纳一个爆裂声过滤器。两个附加的过滤器和栅网球大大地减小了铝带潜在的爆裂声和风吹损害，这使得它能适应户外和手持使用。 • 近期带式技术的另一个突破是印刷型的带式话筒的发展。在原理上，印制的带式在工作上与传统话筒一样。振动片由聚酯薄膜制成，上面印着螺旋状铝带。磁场由振动片前面的两个环状磁铁和后面的两个环状磁铁来产生。产生的磁通，保证当薄膜移位时铝带能切割磁力线。常用传声器的工作原理

传声器 • 二、电容式传声器 • 电容式传声器是目前各项指标都较优越的一种传声器。 • 电容式传声器有：有线式，无线式，射频有线式和驻极体电容传声器四大类。它们使用的电容极头原理都是一样的，但声频信号的传输方式不同。常用传声器的工作原理

传声器 • （一）声频(有线)电容传声器 • 1.电容传声器的工作原理 • 声压作用在振膜上，振膜随声波震动，膜偏离原来的平衡位置，两极板之间的距离发生变化。电容容量发生变化 • C= ε0εrr/d E=Q/C （E是极化电压） • ε0εr:分别是真空和相对介电常数。 • S：极板的面积 d：二极板之间的间距。 • Q：电荷变化常用传声器的工作原理

传声器 • 储存的电荷量也将发生变化。电荷量的变化是通过负载电阻R构成充电和放电回路。因此负载两端出现一个与声压变化相对应的交流电压。这个交流电压就是传声器信号输出电压。其大小： V=S·E·P·Z/d P：声压 E：极化电压（要高） Z：常数 d：间距（要小）常用传声器的工作原理

传声器 • 灵敏度与振动幅度成正比。 • 振动幅度越大，d越小，V越大。 • 振膜振动d变化Q电荷量变化与负载电阻R构成充放电回路负载两端产生一个与声压变化相对应的交流电压。 • 要获得较高的输出电压要有较高的极化电压，E和极小的间距d(0.01mm～0.05mm)。 • 然而要做到能保持小而稳定的间隙和良好的绝缘，需要用非常周到细致的设计和高超的加工技术。生产成本是很高的。常用传声器的工作原理

传声器 • 2.基本结构 • a.电容极头C=20PF～50PF。换算成1000Hz阻抗为8MΩ～3MΩ，高阻抗输出容易受外界干扰，影响传输质量。因此电容极头与外设备之间必须要加一级射级输出器，即预放大器。 • b.预放大器 • 作用即将高阻抗的输出变换为低阻抗的输出。以获得平坦的频率特性和稳定的灵敏度。 • 预放大器一般都采用内部噪声极低的场效应管。预放大器只有很大的过载能力。电容传声器最大容许声压可达114dB。 • c.电容传声器的直流电源一般9V迭层电池。经过直流+直流变换后升压后再输送。电容极头所需极化电压40V～200V。预放工作电压在20V以下。常用传声器的工作原理

传声器 • 3.电容传声器的特点 • 优点：频率特性较好，(曲线平坦) 有稳定的灵敏度 • 缺点：机械强度差（不能乱摔），湿度大，容易发生绝缘不良。常用传声器的工作原理

传声器 • （二）驻极体电容传声器 • 1.什么是驻极体 • 高分子材料进行特殊的强电处理后，高分子材料中的电子排列会失去平衡。使高分子材料表面出现永久电荷，这种极化现象称为驻极。 • 驻极体最关键的要求是所得的静电电压要高并能耐高温、低温，高湿度。常用传声器的工作原理

传声器 • （1）振膜驻极体方式 • 电容极头中的振膜是在源为12μm的膜片上用真空镀膜法镀以薄薄的一层金属。经过驻极体化后，让金属朝外，如图所示： • 安装时使振膜与背极之间保持一个很小的间隙。由于振膜表面呈驻极体化后，维持着一个相当高的电压。其值约达200～300V，不要加直流极化电压。常用传声器的工作原理

传声器 • （2）背极驻极体方式 • 将氟化烯木对脂薄膜(高分子化合物)粘在背极上，并使之驻极体化成为背极驻极体方式常用传声器的工作原理

传声器 • 三、强指向性传声器 • 具有极强的指向特性的传声器。 • 体育场上要从嘈杂的环境噪声中，录取采访对象的讲话。另外，在体育场上如要对音响效果的细节进行拾取，如：足球落地声，运动员脚步声，喊叫声，呼吸声，裁判员吹哨声等。若使用强指向性传声器，则都可很好的拾取。常用传声器的工作原理

传声器 • 实现远距离强指向拾音，主要有两种方法 • 1.抛物面反射传声器 • 此种方法是将传声器放在抛物面焦点上，因而可用于强指向远距离定点拾音。这种拾音在中频段和高频段很有效。在低频段将失去强指向性。如果使用尺寸极大的抛物体，可改善低频段的强指向性。常用传声器的工作原理

传声器 • 2.射枪式传声器 • （a）射枪式传声器主要用于室外的现场拾音等 • 工作原理：主要是利用干涉现象，就是当声音来自对准长管的方向(即图中0度方向)，所有从各声槽进入长管的声音信号都同时到达振膜，因而没有相位干涉，传声器可获得最大输出。 • 如声波来自侧向（成θ角），则声波到达传声器振膜所经过的路径长短不一，各声槽进入的声音信号间存在着相位差，在振膜处形成相位干涉，使声波衰减，从而获得极强的指向性。常用传声器的工作原理

传声器 • （b）强指向性的有效工作频率取决于干涉细管的长度。细管越长，低频段的指向性就越强。为改善各频段的指向性，细管内侧都填充了半透明的阻尼材料。 • （c）射枪式传声器 • 对弱声的拾取能力，即灵敏度比一般传声器提高6dB。 • 因此对气流，风动噪声都很灵敏。所以射枪式传声器上一定要有风罩，以滤去不必要的噪声。常用传声器的工作原理

传声器 • 四、无线传声器(教育话筒) • 无线传声器是将换能后的声频信号调制一个载波后经天线辐射出去的传声器。 • 由于它可以做得很小，又不需连接线，所以使用可以移动自如，适合于电视广播，音乐会，课堂教学。常用传声器的工作原理

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