傳聲器(Microphone),一般工業界音譯為“麥克風”,俗稱“咪頭”。學術界較為正式的名稱還是傳聲器,因為表征了其功能。

傳聲器和揚聲器一樣,涉及到不同能量的轉換,屬于聲頻系統中比較薄弱的環節。

放大器、調音臺、信號處理設備等也是聲頻設備中的重要環節,技術上也很復雜,但它們屬于電信號的輸入、放大、處理、輸出,不涉及不同性質能量的改變。隨著電子技術、計算機技術和DSP技術的發展,這些設備的性能和技術指標都快速提高。

01 傳聲器的主要電聲性能技術指標

靈敏度(Sensitivity)

表示傳聲器的聲-電轉換效率,一般以1000Hz測得的開路輸出電壓/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(Frequency Response)

指在恒定聲壓情況下,軸向0°不同信號頻率測得的輸出電壓。不同類型,和不同設計的傳聲器頻響曲線走勢是不一樣的。

指向性(Direction)

指聲波以θ角入射時,傳聲器靈敏度/軸向0°入射靈敏度。

常見的指向性有:無指向(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)

即傳聲器的交流內阻抗。通常以1000Hz,聲壓1Pa來測試得到。

動態范圍(Dynamic Range)

指傳聲器在諧波失真達到某一規格值(比如0.5%)時,所承受的最大聲壓級與傳聲器的噪聲中間的差值(dB)。

瞬態響應(Transient Response)

指傳聲器的輸出電壓隨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是有差異的。

02 按換能原理分類的傳聲器

動圈式傳聲器 Dynamic Microphon

優點是使用簡單,可靠,不需要前置放大器和極化電壓,但瞬態響應特性和高頻特性不如電容式傳聲器。

帶式傳聲器 Ribbon Microphone

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

聲波驅動振膜振動,從而切割磁感線,在振膜兩側產生感生電動勢,進而產生電流,將聲音轉換為對應的電信號。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)部分是一個平板電容器。其中一個極稱為背極,固定不動;另一個極是振膜,一般由薄金屬膜或金屬化塑料薄膜構成。

聲波驅動振膜振動,改變兩極板之間的距離,使得電容量發生變化,導致電回路中的電流變化,從而產生一個交流變化的輸出電壓。也就達到了將聲能轉換為電能的過程。

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,形成阻抗轉換器,將高阻抗轉變為低阻抗輸出。

電容傳聲器振膜輕薄,靈敏度高,頻率響應平坦,瞬態好;缺點是工藝復雜,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,所以也存在待機功耗。

駐極體電容式傳聲器 Electret condenser microphone

某些電介質經過高溫高壓處理,能在兩個表面分別儲存正負電荷,這種電介質被稱為駐極體。和永磁體有點類似。

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,且穩定性好,耐高溫,所以被廣泛應用于電聲器件中。

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生變化,從而導致接觸電阻變化,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,即失真很高,且噪聲大,穩定性不好。目前僅用于很早之前的電話機上。

壓電式傳聲器 Piezoelectric Microphone

利用壓電效應直接將聲傳遞給膜片/壓電片的壓力轉換為電能。

激光傳聲器

利用激光拾取膜片的振動,從而轉換為電信號。

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

一般是指用硅基微機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、場效應管(FET)式。目前正在快速發展中。

03按聲學原理和指向性分類的傳聲器

壓強式傳聲器,全指向結構的示意圖如下所示。由固定在一個密封腔+膜片構成。即只膜片一面接收聲波,另一面是封閉的。

一般腔體上會增加一個小的泄漏孔+聲學網布,用以均衡內外的大氣壓強,使得膜片兩側的氣壓相等。

這種傳聲器實際就是一個壓力計,只與聲壓的大小有關,而與聲音方向無關。所以屬于全指向性傳聲器,或者說球形指向性傳聲器。

壓差式傳聲器,雙指向,8字型結構。膜片兩側都有進聲孔。

聲波達到膜片前后的通道路徑長度不同,從而存在聲路差、時間差、相位差,所以會導致前后的聲壓差。

當聲波從90°方向入射時,前后聲壓幅度相等,膜片基本不會動,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。其極坐標響應為8字形,或稱雙指向性傳聲器。但因為其存在前后聲壓抵消,所以靈敏度會降低。

復合式傳聲器,單指向,或多指向復合式傳聲器由壓強式+壓差式兩者復合而成。復合方式可分為聲復合和電復合。

聲復合指通過壓強式+壓差式的聲學結構進行復合

電復合指將壓強式+壓差式的電信號進行復合

通過聲學結構,或電路結構的變化,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景。

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