各類型傳聲器的原理以及分類的詳細(xì)介紹

傳聲器(Microphone),一般工業(yè)界音譯為“麥克風(fēng)”,俗稱“咪頭”。學(xué)術(shù)界較為正式的名稱還是傳聲器,因?yàn)楸碚髁似涔δ堋?/p>

傳聲器和揚(yáng)聲器一樣,涉及到不同能量的轉(zhuǎn)換,屬于聲頻系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)。

放大器、調(diào)音臺(tái)、信號(hào)處理設(shè)備等也是聲頻設(shè)備中的重要環(huán)節(jié),技術(shù)上也很復(fù)雜,但它們屬于電信號(hào)的輸入、放大、處理、輸出,不涉及不同性質(zhì)能量的改變。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展,這些設(shè)備的性能和技術(shù)指標(biāo)都快速提高。

01 傳聲器的主要電聲性能技術(shù)指標(biāo)

靈敏度(Sensitivity)

表示傳聲器的聲-電轉(zhuǎn)換效率,一般以1000Hz測(cè)得的開路輸出電壓/受到的聲壓,單位為V/Pa。傳聲器靈敏度高,一般可以獲得較高的信噪比。

頻率響應(yīng)(Frequency Response)

指在恒定聲壓情況下,軸向0°不同信號(hào)頻率測(cè)得的輸出電壓。不同類型,和不同設(shè)計(jì)的傳聲器頻響曲線走勢(shì)是不一樣的。

指向性(Direction)

指聲波以θ角入射時(shí),傳聲器靈敏度/軸向0°入射靈敏度。

常見(jiàn)的指向性有:無(wú)指向(或稱全指向),8字型,心型,超心型,銳心型,超指向等。

不同場(chǎng)合需要使用不同的指向性傳聲器。

輸出阻抗(Output Impedance)

即傳聲器的交流內(nèi)阻抗。通常以1000Hz,聲壓1Pa來(lái)測(cè)試得到。

動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)

指?jìng)髀暺髟谥C波失真達(dá)到某一規(guī)格值(比如0.5%)時(shí),所承受的最大聲壓級(jí)與傳聲器的噪聲中間的差值(dB)。

瞬態(tài)響應(yīng)(Transient Response)

指?jìng)髀暺鞯妮敵鲭妷弘S輸入聲壓急劇變化的能力,不同振膜和不同原理器件的響應(yīng)是有差異的。

02 按換能原理分類的傳聲器

動(dòng)圈式傳聲器 Dynamic Microphon

優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單,可靠,不需要前置放大器和極化電壓,但瞬態(tài)響應(yīng)特性和高頻特性不如電容式傳聲器。

帶式傳聲器 Ribbon Microphone

可以看成動(dòng)圈傳聲器變形,帶狀導(dǎo)體即是振膜又是音圈。一般采用鋁合金帶狀振膜,置于磁場(chǎng)之中。

聲波驅(qū)動(dòng)振膜振動(dòng),從而切割磁感線,在振膜兩側(cè)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生電流,將聲音轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。效率一般較低。

電容式傳聲器 Capacitor Microphone,Condenser Microphone/靜電傳聲器 Electrostatic Microphone

其拾音頭(極頭,Cartridge)部分是一個(gè)平板電容器。其中一個(gè)極稱為背極,固定不動(dòng);另一個(gè)極是振膜,一般由薄金屬膜或金屬化塑料薄膜構(gòu)成。

聲波驅(qū)動(dòng)振膜振動(dòng),改變兩極板之間的距離,使得電容量發(fā)生變化,導(dǎo)致電回路中的電流變化,從而產(chǎn)生一個(gè)交流變化的輸出電壓。也就達(dá)到了將聲能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。

由于極頭的電容C很小,輸出阻抗很高,所以一般需要前置放大器電路,形成阻抗轉(zhuǎn)換器,將高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩馆敵觥?/p>

電容傳聲器振膜輕薄,靈敏度高,頻率響應(yīng)平坦,瞬態(tài)好;缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜,牢靠性差,需要較好的防震防摔,且需要較高的直流偏置電壓,所以也存在待機(jī)功耗。

駐極體電容式傳聲器 Electret condenser microphone

某些電介質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫高壓處理,能在兩個(gè)表面分別儲(chǔ)存正負(fù)電荷,這種電介質(zhì)被稱為駐極體。和永磁體有點(diǎn)類似。

目前常用駐極體材料有聚丙烯(PP)、聚全氟乙丙烯(FEP)等。聚丙烯(PP)有較高的電荷密度,但耐潮性差。聚全氟乙丙烯(FEP)具有較高電荷密度,且穩(wěn)定性好,耐高溫,所以被廣泛應(yīng)用于電聲器件中。

振膜式駐極體傳聲器

背極式駐極體傳聲器

駐極體傳聲器和常規(guī)電容式傳聲器工作原理類似,只是不需要外加極化電壓,而是由駐極體膜片或帶駐極體薄層的極板表面電位來(lái)代替。

炭粒式傳聲器 Carbon Microphone

聲壓作用在振膜上,使得炭粒受到的壓力發(fā)生變化,從而導(dǎo)致接觸電阻變化,使得兩端輸出電壓改變。

炭粒式傳聲器具有高輸出,但非線性很強(qiáng),即失真很高,且噪聲大,穩(wěn)定性不好。目前僅用于很早之前的電話機(jī)上。

壓電式傳聲器 Piezoelectric Microphone

利用壓電效應(yīng)直接將聲傳遞給膜片/壓電片的壓力轉(zhuǎn)換為電能。

激光傳聲器

利用激光拾取膜片的振動(dòng),從而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

硅傳聲器 Silicon Microphone / 微機(jī)電系統(tǒng)傳聲器 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Microphone

一般是指用硅基微機(jī)械加工方式制作的微型電容式傳聲器,尺寸小,方便與IC集成。

也可以制作成壓阻式、壓電式、場(chǎng)效應(yīng)管(FET)式。目前正在快速發(fā)展中。

03按聲學(xué)原理和指向性分類的傳聲器

壓強(qiáng)式傳聲器,全指向結(jié)構(gòu)的示意圖如下所示。由固定在一個(gè)密封腔+膜片構(gòu)成。即只膜片一面接收聲波,另一面是封閉的。

一般腔體上會(huì)增加一個(gè)小的泄漏孔+聲學(xué)網(wǎng)布,用以均衡內(nèi)外的大氣壓強(qiáng),使得膜片兩側(cè)的氣壓相等。

這種傳聲器實(shí)際就是一個(gè)壓力計(jì),只與聲壓的大小有關(guān),而與聲音方向無(wú)關(guān)。所以屬于全指向性傳聲器,或者說(shuō)球形指向性傳聲器。

壓差式傳聲器,雙指向,8字型結(jié)構(gòu)。膜片兩側(cè)都有進(jìn)聲孔。

聲波達(dá)到膜片前后的通道路徑長(zhǎng)度不同,從而存在聲路差、時(shí)間差、相位差,所以會(huì)導(dǎo)致前后的聲壓差。

當(dāng)聲波從90°方向入射時(shí),前后聲壓幅度相等,膜片基本不會(huì)動(dòng),所以接收到的聲壓接近0。而正前方和正后方入射引起的前后聲壓差最大。

壓差式傳聲器的方向性和聲波入射角的余弦成正比。其極坐標(biāo)響應(yīng)為8字形,或稱雙指向性傳聲器。但因?yàn)槠浯嬖谇昂舐晧旱窒?所以靈敏度會(huì)降低。

復(fù)合式傳聲器,單指向,或多指向復(fù)合式傳聲器由壓強(qiáng)式+壓差式兩者復(fù)合而成。復(fù)合方式可分為聲復(fù)合和電復(fù)合。

聲復(fù)合指通過(guò)壓強(qiáng)式+壓差式的聲學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合

電復(fù)合指將壓強(qiáng)式+壓差式的電信號(hào)進(jìn)行復(fù)合

通過(guò)聲學(xué)結(jié)構(gòu),或電路結(jié)構(gòu)的變化,可以獲得從全指向到單指向(心型、超心型、銳心型)等不同的指向性,適用于不同的拾音場(chǎng)景。

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