第二章 传声器的设计和应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章传声器的设计和应用,传声器（,microphone):,俗称话筒，麦克风，是声频技术系统中第一个环节。,传声器的拾音质量决定于内部因素：传声器的设计，和外部因素：声学环境和拾音位置。,第一节 传声器拾音概述,传声器其实是个声电换能器,它将声音信号转换成相应的电信号。,过程：以声波形式表现的电信号被传声器接受后，使换能机构产生机械振动，有换能机构输出电信号。,第二节 传声器的设计原理,根据换能方式的不同，分为电动式（振动式）和电容式（位移式）两大类。,一、电动式传声器：应用电磁感应原理完成声电转换。,动圈传声器,(dynamic microphone),动圈传声器的音圈阻抗较低,一般在,3050,之间,可以使用很长的,传声线而不会由于线间电容的存在产生高频分流效应,.,还装有一变压器，使音圈与放大器的输入阻抗相匹配，同时也起到使信号电压升高的作用。,其构造特点使其具有较强的抗机械冲击能力，非常牢固,。,铝带传声器,(ribbon microphone,或,band microphone),使用极薄的铝带做振膜。沿其长度方向做成均匀波纹状，挂在强磁场中。当声波作用于其前后两表时，形成声压差，铝带随声波相应振动，切割磁力线，在铝带上下两端间产生感应电动势，从而产生与声波的振幅和频率成比例的电流。铝带即是声波接收器优势换能器。,铝带的阻抗很低，必须用一个升压变压器以使输出阻抗达到可接受的,150600,欧姆的范围内。,铝带传声器瞬态还原真实，音色自然，但抗机械冲击能力较弱，在气流强劲的地方，必须对铝带严加保护。否则强气流会将铝带吹弯不能复原,。,另一缺点是难以小型化。,近期技术是印制型带式传声器的发展。振膜由聚酯薄膜制成，上印有螺旋状铝带。,二、电容式传声器,电容式传声器工作在静电原理上而不是像电动式传声器那样工作在电磁感应原理上,.,头部有两块金属板组成，一可动一固定，两块板形成电容。,声压变化引起的电容量变化使输出电压发生改变，从而得到特定大小和方向的电流。,由于电容传声器的输出电压与振动幅度成正比，因此又叫位移传声器。根据给极板加极化电压的方式不同，可分为直流方式电容传声器和驻级体传声器。,电容传声器（直流方式）,(condenser microphone),大多数电容传声器都使用,FET(,场效应晶体管,),来减少阻抗,但也有使用电子管放大器的设计方式,以获得一种特殊的电子管音色,.,如,AKG,公司的,C12VR,电容传声器所需的极化电压通常是,40200V,的直流电压，现在使用,FET,放大器的电容传声器，大多使用,48V,直流电压，,该电压可以由传声器内部电池供给，也可以从外部电源如幻象供电得到,。,电源除了供给极化电压外，也为前置放大器提供必要的电压。,由电池驱动的电容传声器，通常使用,1.59V,的低压电池电源。为了减小在高声压输入时所产生的失真，必须使用高的极化电压，因此在传声器内部有一个,DC/DC,变换器将电池的低电压转换成高的极化电压，也有使用,40V,左右的高电压电池的传声器。,驻极体传声器,(electret microphone),将高分子绝缘物如聚四氟乙烯做成薄膜后夹在两个电极之间，在高温条件下，对其施加很高的极化电压进行电晕放电或用电子轰击，于是薄膜的分子在正电级一端出现负电子，在负电子一端出现正电荷。这种电荷在薄膜内部均匀分布，称为极化层。,高分子材料被极化后，即使外加电压降为零，薄膜中的电场仍会继续保持不变，这种材料称为驻级体。,将该物质用于传声器的振膜或固定极板时，因其表面电位的存在而不需要再加给极化电压，因而可以简化电路，使,传声器小型化，降低造价,。,与一般电容传声器相同，也需在极头后紧接阻抗变换放大器，因此仍需通过电池或外接电源给放大器供电。,第三节传声器的特性,主要介绍传声器的指向性，近讲效应，幻象供电等特性。,一、指向性,指向性是指传声器的灵敏度与声波入射角的关系,入射角 是声波入射方向与传声器主轴,(,前方,),的夹角,.,指向性特性,决定着传声器接受声波的多少,，实际中非常重要的地位。,.,传声器接收声波的方式通常可分为压力式,压差式和复合 式三种,由此得到的指向性是,全指向性,双指向性和单指向性,.,全指向性传声器,(omni-directional,或,non-directional),又叫无指向性,由压力式声波方式获得,.,双指向性传声器,(bi-directional,或,figure-8directional),又称,8,字形指向性,由压差式声波方式获得,.,单指向性传声器,(unidirectional,或,cardioid directional),单指向性又称心形指向性,由复合式即压力式和压差式相结合的声波接受方式获得,随着指向性角度的变化还可成为超心形,(supercardioid),、锐心形,(hypercardioid),指向性,.,不同指向性传声器的应用比较为了得到相同的混响感,指向性传声器需比无指向性传声器离开声源的距离更远,.,无指向性传声器的距离是,1,时，八字形，心型，超心型指向性传声器的距离系数分别为,1.73,，,1.73,，,2.,对于抛物面集音器，这个系数大于,3.,如果要获得更多的空间感,强调空间中的某种乐器的直达声和反射声的融合效果,或者是不同乐器之间的融合效果,可选用无指向性传声器,.,如果要减少空间感,避免因空间造成的声音浑浊或因空间声学缺陷带来的声染色,强调获得清晰、干净的声音,或者在同一空间拾音时为了减少其他乐器的串音,可以选用指向性传声器,.,这种选择还应与拾音距离相协调,远距离拾音有利于拾取到一件乐器或一个乐队的整体效果,在合适的位置上可以获得自然的平衡,但同时也会更多地反应出拾音现场可能存在的声学缺陷,设置的位置不合适还可能使混响过多,声音浑浊而不清晰,.,近距离拾音可以有效的排除环境声，减少空间感，还能更好的体现出乐器的质感，获得清晰干净的声音，但距离过近有可能过分强调某种音色特点，或是某个音区，从而失去了整体的平衡。,在实际中运用往往将全指向性与指向性传声器，远距离拾音和近距离拾音结合起来使用。,二、近讲效应：近距离拾音低频提升。,在实际录音中,近讲效应所引起的低频提升会使得声音的清晰度降低,.,尤其是在语言录音中,为了避免低音过重,有些传声器上有低频滚降滤波器开关,衰减由近讲效应产生的低频声,三、幻象供电,电容传声器工作时，需要给极板加直流极化电压。,幻象供电：,是指使用传输声频信号的电缆来传输直流极化电压。其在同一根电缆里既包括有声频信号电压,又有直流电源电压,.,第四节传声器的主要技术指标,包括传声器的输出阻抗，灵敏度，频率响应，瞬态响应，动态范围等。,一、输出阻抗,(output impedance),输出阻抗又叫源阻抗,用来表明一个信号源对下级负载,(,输入阻抗,),呈现的信号提供能力,.,通常用,1KHz,信号测得，是传声器对,1KHz,信号的交流内阻。单位是欧姆。,源阻抗在,150600,欧姆,之间传声器是低阻抗型，在,1K5K,欧姆之间的是中阻抗型的，在,25K150K,欧姆之间的是高阻抗型的。,过去,高阻抗传声器用起来较便宜,因为电子管放大器的输入阻抗很高,在使用低阻抗传声器时,电子管放大器需要较贵的输入变压器。所有电动式传声器都是低阻抗器件，那些有高阻抗输出的电动式传声器使用了一个内置阻抗升高变换器。,高阻抗传声器的缺点是它们的高阻抗电缆线容易拾取到静电噪声,诸如发动机和荧光灯等引起的噪声,这就要求使用带屏蔽的电缆,.,另外，围绕屏蔽的导体会形成一个电容器，它实际上是跨接在传声器的输出上。当电缆的长度增加时，电容量就变大，直到,68,米时，电容量开始短路掉由传声器拾取的许多高频信号。因此，使用,高阻抗传声器应避免用长电缆来连接,这种限制有时会给录音带来不便,.,极低阻抗,(50,),传声器的优点是它的连接线对于拾取静电噪声不敏感,但是,它对于拾取交流电源线产生的电磁场所感应的噪声又是颇为敏感的,.,这种交流声的拾取可通过使用双纽绞线对来消除，因为纽绞线对于电磁感应产生的电流方向相反，在调音台的传声器平衡输入端上互相抵消。,150-250,的传声器信号损失低,可使用长到数百米的电缆线,.,它们比,50,线路较不易拾取到电磁感应,但对静电噪声的拾取相对明显,.,因此,使用纽绞线对电缆,并采用平衡信号线而获得最低的噪声,.,在这样的线路内,两条线运载信号,而屏蔽线接地,.,其工作原理是在两条导线中声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以同极性感应在相关的两条导线中,.,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,结果是感应的信号互相抵消,而声频信号不受影响,.,大多数录音棚中所用的传声器线是,200,欧的平衡线，屏蔽线只在前置放大器端和传声器手柄上接地。,由于采用电压匹配的方式连接，要求负载的输入阻抗高于传声器输出阻抗的,5,倍以上，因而负载阻抗多为,1K,欧。,高阻抗传声器使用的是不平衡电路，由一条信号线向负载提供正电势，而第二条屏蔽线用来完成信号的回流电路。,二、灵敏度,(sensitivity),灵敏度表示传声器的,声电转换效率,。在自由声场中，向传声器施加一个声压为,0.1,的声信号时，传声器的开路输出电压,从灵敏度可看出将传声器拾取的信号电平提升到线路电平（,-10,或,+4,）所需的,放大量,这个值也使录音师容易判断两个传声器输出电平的差异，相同声压级的激励下，具有较高灵敏度的传声器比较低灵敏度的传声器产生的输出电压大,采用,灵敏度高的传声器，可以对较低声压级的声音获得较高的信躁比，有利于改善声音质量，但对于大动态的大声压级的声音就容易产生失真,灵敏度高的传声器有利于反映出声源的细节，但同时也拾取到更多的噪声,在音色上二者也不同，,灵敏度高的音色较明亮，色彩性强，灵敏度低的音色较暗，但有时也会使音色柔和，带来良好的温暖感,灵敏度与声波入射角的关系反应出传声器的指向性全指向性传声器对各个方向的声波灵敏度相同，字形指向性传声器对主轴上的声音最为敏感，心形，超心形，锐心形指向性传声器对主轴正前方声音最敏感，对主轴后方的声音有所抑制,三、频率响应,(frequency response),频率响应指传声器,灵敏度随频率变化的特征,，即对于恒定的不同频率输入信号传声器,输出电压,的大小,频率响应的范围是指传声器正常工作的频带宽度，又叫带宽一只传声器的频率响应可以设计成平直的，也可以根据需要对高，中，低频有适当的提升或衰减,传送声音信号的必要带宽随目的的不同而不同，高保真信号的频率可达,15KHz,，,18KHz,甚至,20KHz,，对于音乐录音，频率响应最低也应达到,40Hz-15KHz,，但如果仅传送语言信号，,100Hz-8KHz,的带宽就足够了。,带宽窄于信号会造成损失，过宽会拾取到信号外的噪声，反而会降低声音的信噪比。,频率响应平直，反映出声源本身的频率特性。但大部分的传声器频率响应都不是完全平直的，除了设计上难以做到外，也有许多是有意为之。,传声器的频率响应往往在高频段有所提升。由于在远距离拾音时，反射以及空气的吸收高频会下降，传输中也会失掉一部分，因而可以通过频率响应来补偿。,传声器的固有噪声，放大器噪声以及风和振动的环境噪声低频成份较多，为了降低噪声电平，频率响应在低频适当衰减。,四、瞬态响应,(transient response),瞬态响应是指传声器的输出电压跟随输入声压级急剧变化的能力,是传声器振膜,对声波波形反应快慢的量度,该响应能体现出不同的音色,.,电容式传声器的振动系统质量小，对声波的机械阻抗小，瞬态响应好，音色清晰明亮。,电动式传声器的振膜很大，再加上线圈和芯体，质量较大，对声波的相应就慢，因而得到的声音较粗实,。,相比之下铝带传声器的振膜就轻很多，因而得到的声音比动圈传声器清晰。,同类传声器振膜的大小也对瞬态响应有影响。大膜片劣于小膜片，声音解析力不如小膜片传声器。,五、动态范围,(dynamic range),传声器的动态范围上限由拾音系统,(,传声器与前置放大器,),的失真容许值决定,下限由拾音系统的噪声电平决定,传声器的的噪声包括传声器的内部噪声,前置放大器前级电路与传声器电信号输出部分相接处产生的噪声,以及当传声器置于磁场中或气流中使用时,因感应或振动所产生的外部噪声,.,等效噪声表明产生等于传声器自身噪声电压时所需的等效声压级的分贝数,.,因气流和风使传声器产生的噪声被认为是等效噪声。防风罩的容积越大，效果越好。,使用防风罩后会使指向性传声器的频响和指向性受到影响,原因是由于罩内声场受声波干涉,使声压梯度比自由声场有所降低而造成的,.,所以防风罩的尺寸越小，所用材料的声阻密度越大，影响越大，因此应尽可能使用较大的防风罩。,当歌唱演员靠近传声器拾音时,发出的爆破音产生的强气流会造成,“噗话筒,”的现象,产生,“噗噗,”的噪声,.,为了减小这种,“喷口效应,”,可采用防风罩或泡沫塑料做成的滤除器来减小这种噪声,或者在演员嘴部和传声器之间放置尼龙丝网来减小气流对传声器振膜的冲击,将传声器偏离演员嘴部或采用全指向性传声器也能起到减小,“喷口效应,”的作用,以上方法还能减小演员的齿音和呼吸噪声,.,振动噪声的产生是由于当传声器受到振动时,振膜也受到振动,但两者质量不同,惯性也不同所致,.,为了减小振动噪声,可增加防振机构来缓冲外部所加的振动,.,磁场感应噪声的大小随传声器的磁场方向等因素而变化,感应噪声的容许值为等效声压小于,5dB.,第五节 特殊类型传声器,一、无线传声器,(wireless microphone,或,radio microphone),无线传声器是将换能后的声频信号调制一个载波后,由天线辐射给附近接收机的传声器,.,调频有两种方式，一种由电容传声器直接调频，一种是将其转换的电信号对一个载波调频。,采用前一种方式的称射频电容传声器，与直流方式电容传声器相比，可将信噪比提高,20dB,但当声源声压很高时，会超出谐振曲线，产生失真。,无线传声器的工作频段低容易受到民用通信和调频广播的干扰,工作频段越高，可靠性越好，但较贵,。大多数无线传声器工作在甚高频,(VHF),的中间频段和超高频,(UHF),的较低频段,(,例如,150216MHz,、,400470MHz,、,900950MHz),上,.,合成锁相环技术,(PLL),的运用保证了信号的稳定性,并使多通道频率能够同时工作而互不干扰,.,无线传声器依靠天线去发射和接收信号,声音信号要经过调制和解调的过程,.,现在接收部分多采用分集接收方式,分集接收表现在几个方面,但都离不开多天线接收,.,多天线接收的目的是为了减少信号失落,最常用的就是双天线接收,.,实际上是自动比较，而必须迅速而不带任何噪音。,在单只无线传声器系统里,两根天线是安装在同一个接收机上,天线的间距是固定的,但角度可以调整,.,而在多只无线传声器系统即集群式多通路无线传声器系统里，两根天线是分开设立的，他们处在不同的位置，所能控制的范围大大增加。,集群式多通路无线传声器系统的天线与接收机之间靠电缆连接,由接收机上的每一个接收模块来选择接收频率,并与每一只无线传声器的发射频率相对应,.,两根天线可同时为多个接收模块服务，大大的提高了适应效率。,天线间至少相距一米，演播室时要,6,米以上。将天线设置在高于摄像机并低于灯光架的位置比较合适。,传声器的天线和接收机之间要阻抗匹配，因而天线的长度受到一定的限制。多数采用,50,欧天线，并且使用,RG58U,的电缆，长电缆时则需,RG214U,，但较贵。,在天线和接收机的距离超过,60,米时，需配专门的射频预防器，有些系统已装在天线里，由直流电压通过天线电缆供电。仅仅是保持阻抗匹配，不提供信号提升。,具备分集接收功能的无线传声器系统，其接收机都通过一对天线接收射频信号。,因而出现天线分配系统,天线分配器。,SENNHEISER,的,SAS,天线分配器,:,可选频率射频放大器的有源天线分配器。,专业级无线传声器一般装有压限器，当发射与接收之间的距离不断改变时，接收的声频音量能保持恒定。,同时使用多只无线传声器时，其频率间隔要大于,1MHz,。,二、纽扣传声器,(lavalier microphone),纽扣传声器是一种小型传声器。有动圈式和电容式，通常都是全指向性压力式的，具有特殊设计的防震方式。,由于语音信号中的高频成分辐射方向朝嘴的前方,在胸前拾音会有高频信号的损失,因此纽扣传声器的频率响应在,27kHz,通常有,810dB,的提升,提升峰点在,5kHz,处,这种提升还能在一定程度上补偿衣服遮蔽所带来的高频损失,.,另外,由于,胸腔的共振,男性在,700Hz,、女性在,800Hz,处有频率提升现象,.,四、枪式传声器,(gun microphone),枪式传声器实际上是一种,超指向性传声器,.,设计方法是在全指向性或单指向性传声器的振膜前面置一根长管，侧面均等间隔的开有与前端开口面积相等的许多开缝，形成进气孔，被一层声阻材料所覆盖,这样使轴线上的声音不断的通过，而使靠近轴线外的声音按比例延时，从而导致声音的部分抵消,特别是高频段的抵消更为明显，以达到降低灵敏度的目的频率响应一般为,30Hz-10KHz,，接收角度随频率而异,枪式传声器按照管子长度分为,长枪式和短枪式两种,，长枪式比短枪式具有更尖锐的指向角以及更高的灵敏度，常见的如公司的和,五、动圈传声器的一些特殊类型,噪声抑制型动圈传声器,(noiser-suppressing microphone),噪声抑制型动圈传声器也称为消噪声传声器,它是将传声器振膜机械地绷紧,使它在平面波声场中拾音时,对,1kHz,以下的频率,灵敏度有,6dB/oct,的衰减,因而它可以减弱对低频段中非常突出的杂散噪声的拾取,.,在车内，机场等嘈杂环境中录制语言时，可获得较清晰的讲话声。有的在,1-3kHz,的语言段有提升，获得更好的清晰度。,多声入口单指向性动圈传声器,(multipath cardioid moving coil microphone),六、立体声传声器,组合式立体声传声器,“强度差立体声”是指两声道之间没有时间差,而靠强度差来体现声源的方位,.,时间差方式会造成信号间干涉,不利于单声道重放,只有在两声道各信号成分电平相差,6dB,以上时才能得到较好的效果,.,组合式立体声传声器大部分是强度差型,即将两只单指向性传声器尽量靠近,一般是安装在垂直轴线的同一点上,使声波几乎同时作用于两只传声器的振膜,.,将这两只传声器的组件装配好置于同一壳体内,就得到组合式立体声传声器,.,两只传声器之间的夹角可根据拾音情况进行调整,以得到所需的强度差,.,有些立体声传声器设计成,可变指向性,上下两个膜片的指向性都可通过旋纽进行选择,且上膜片相对于下膜片可朝不同的方向旋转,这样的传声器能组合出不同的拾音制式,.,当两个膜片设定为相同指向性,且旋转成一定角度,以两膜片夹角的中间方位朝向声源进行拾音时,是采用,XY,制,的拾音制式,其输出接口标明了上膜片和下膜片的输出,但,X,信号和,Y,信号要根据旋转方式来确定,;,当将其中一只膜片调整为任意指向性,另一只膜片调整为,8,字形指向性,且将任意指向性朝向声源,8,字形指向性朝向声源的侧面时,是采用,MS,制,的拾音制式,其输出分别为,M,信号和,S,信号,然后再采用反相手段得到,-S,信号并与,M,信号和,S,信号一起进行混合,以获得立体声的左右声道信号,.,仿真头传声器,(dummy head microphone),又称人工头，由木或塑料模仿人头制成，直径,18-20cm.,当使用高质量立体声耳机来听由仿真头拾取的信号时,听众会获得极好的临场感,.,当通过扬声器重放听音时,则类似于由放在仿真头同一位置的其他类型立体声传声器所拾取到的声场感觉,但在房间的深度感上会有所区别,.,仿真头通常放置在离声源稍远距离处拾音,.,应用仿真头拾音的缺点是容易产生头中和头前效应,即听音人不是感到声像在自己面前,而是在两耳连线上的头部内,或是在头部前额附近,因而感到不太自然,.,另一个弊病是,如果听音人在听音过程中偏转头部,则声像也会随着移动过去,.,七、接触型传声器,直接安装在乐器上拾取乐器振动的声音,比如贴在吉他或小提琴面板上用来拾取弦振动的电磁型接触传声器等,.,八、抛物面传声器,也叫集音器,只对高频段的短波长声拨效果明显,在低声频时会失去作用,大多用于体育比赛或鸟声等环境声的远距离拾音,.,九、水中传声器,用来拾取水中传播的声音,即拾取水压微振动中属于声音频带振动的部分,.,由于水深不同,水压可在几十个大气压上下变化,所以水中传声器不能使用普通传声器振膜,另外还有防水措施等限制,因此,水中传声器采用能直接由振动产生电信号的压电型传声器,使用与水的声学特性相似的橡胶、有机塑料或以油为媒介的振膜来驱动,.,现在已研制出能拾取几十千赫到一百千赫振动的水中传声器,.,