传声器（话筒）的设计原理！

长江滚滚来

对于某个特定应用来说，什么类型的传声器最合适？我们应该选择电容传声器还是动圈传声器，是选择全指向还是心型指向传声器，选择频响曲线平坦的还是拥有特定频响特性的？
本文将会探讨各种类型话筒的优点和缺点，并将这些优/缺点与各种类型的应用场景关联起来，通过了解这些方面的知识能够帮助您正确的选择传声器。
9 S5 O. Y1 y. Q大家都希望有一只适用于所有应用场合的通用传声器，但目前尚不存在。不同应用场合都有不同的使用需求，理想当中的功放或扬声器拥有线性传输特性，然而传声器的频响特性通常是专门为了某些特定类型的应用进行优化的。
, r0 d' ?. q! P# X% _# j( _% W
9 L) J3 E& N0 B+ x( o$ p
7 J) `# O6 n9 `+ ]; F- C举例：
0 ]( R/ |6 h* K1 V" I2 P一个古典音乐录音工程师为了精确地复制音色，需要的是一个频响特性平坦的传声器；一个流行音乐制作人可能想要的是一个高频部分被提升的传声器来获取较高的响度。


8 `6 V# w6 |0 w# S  p对于古典音乐录音工程师来说，41 Hz的信号是音乐；而对于语音广播工程师来说，这个频段的声音是噪音。因此，用于古典音乐录音的传声器拥有良好的低频响应特性，而用于语言信号拾取的传声器则在低频段采用了滚降设计。
与之相近的是，舞台上的歌手通常喜欢使用可以提升低频（近讲效应）的传声器，能使声音听起来更温暖、更有力度。而具有同样特性的传声器在录音室使用时不经均衡处理的话，就会使乐器声音听起来浑浊。
" N+ i7 b* E3 s+ z
) B6 O4 P! N" l; R1 y& P9 Y
# p0 }% V) F8 K* U" R此外，根据不同的应用需求还存在着多种不同类型的传声器指向特性设计。
▼▼▼
% a% o3 Z) y0 U全指向传声器拾取所有方向上的声音，适用于拾取演奏厅的混响声。相对于全指向传声器来说，单一指向传声器拾取的混响声和声泄露较少，适用于当外部噪音对声音拾取质量造成影响的场合，譬如现场录音。
这些设计上的变化使得传声器布局的设计和使用都变得非常有趣。
5 R$ q( E' y# m# Q7 b+ T3 s
' C! K. }; J1 @
; R  w- `2 z6 o7 \每一只传声器都需要具备的特性

8 j, `- e' @5 U; L( C我们刚刚谈到的是对不同频响特性和指向特性的传声器的需求。但是，所有传声器都需要具备以下共性：
-低本底噪声
  k+ {  t4 ^5 V% b% P4 {4 I* }-高动态（能够在不失真的前提下承受高声压）
-较好抗射频干扰能力
! ?9 m3 z  T0 N-较低的机械噪声（手持时的摩擦）
/ w) [( z6 ?& l# Q-较低的风噪和pop噪声（爆发性的呼吸声）
-最小化偏轴声染色（在轴向和偏轴方向的频响特性保持一致）
' h5 z: l/ v2 r-高灵敏度
这些特性对于获取清晰地声音来说是必要条件：无噪声、无失真、在偏轴方向无声染色。其他一些特性需求，例如：
7 ?$ W, [& s" T-体积小（某些时候）
/ W$ C! ?) W  A-强指向性（某些时候）
% P8 W: u- I* L- P- ^-坚固耐用
1 }  f3 U% N- g& W$ H-低成本
! j5 A) |4 }* A& k& t+ c
5 j* s* j+ M9 }) ~5 s  
不幸的是，我们不可能把所有上述需求集中在一个传声器内，因为这些特性需求之间存在冲突。譬如，如果使用较大的隔栅网罩来消除pop噪声的话，那么传声器的整体尺寸就会变得太大；如果通过加入内置衰减电路来提高动态余量的话，那么信噪比会被降低。
总的来说，每一个设计上的决定都是出于折中考虑。在某一个方面的特性获得提升意味着在另一个方面的特性受到限制。


! D9 R1 r, U( @# Y作者寄语：
本文的目的是描述这些设计上的折中，使传声器用户能够更好的理解哪些特性在给定使用场景当中更为重要。通过了解设计上的折中，我们能够更明智的选择适当的传声器。
& b  G. Q% K0 q- C9 `

长江滚滚来

传声器设计上的折衷

( B7 S6 t' c" Y+ c+ c8 y% O- J1. 传声器类型概览
首先，让我们来了解一下不同类型的传声器如何将声音转换为电信号。应用于专业领域的传声器依据它们的工作原理可分为两种类型：动圈或电容传声器。在动圈传声器当中，通过一个可移动的导体切割磁力线来产生电信号。动圈传声器又分为动线圈传声器和带式传声器两种。


* r# N) I, r/ x4 \# |
8 s1 N% P+ ]4 A+ S, p# E- z
动线圈传声器（通常被称为动圈传声器）如Fig 1所示。一个与振膜连接的线圈悬挂在磁场内。当声波使振膜震动时，线圈也会在磁场内震动从而产生与输入声波相近的电信号。


3 }) x* r! D' n6 n# f3 K
- d7 R. H  ~, `5 W; q/ r) {* e带式传声器如Fig 2所示，一块非常薄的金属箔片或带状金属片悬挂在磁场当中。声波使悬挂在磁场内的金属片产生震动，并由此产生电信号。
$ {. @! l8 Q$ S. B
# g9 ]* ]( T% ?2 f7 O# E: d& g( O

2 t  i6 `: K8 G% [5 K- w电容传声器如Fig 3所示，一块可以导电的振膜和一块金属板（背面电极）分别与电容的两极相连。声波使振膜震动的时候改变了振膜与金属背板之间的体积，这种变化改变了电容量并由此产生于输入声波相近似的电信号。


振膜与金属背板可以通过外接设备或通过内嵌于振膜或金属背板的永极体供电。如何在电容、带式和动圈传声器之间选择物理结构的差异使这三种类型传声器形成了不同的性能特性。

①. 当你有以下使用需求时，较好的选择是电容传声器：
  ~' R" [* n: x0 k4 Q2 ^8 i-极佳的瞬态响应（例如，用于打击乐器、大镲、原声乐器和大编制合奏的声音拾取等）
-扩展的高频响应（用于频谱带宽延伸至高频频段的声源拾取）
-高灵敏度（用于对原生音量较小的声源进行远距离拾取）
. Y# l7 D3 n# U5 d$ a' N-工作频段较宽，频响曲线平滑（适用于大多数要求忠实重现声源自然音质的工作室）
-较小的体积（领夹式传声器或界面传声器）
- c0 ^( @, U! N" a) ~  f
②. 当你有以下使用需求时，较好的选择是动圈传声器：
-较慢的瞬态响应（对过多细节实现衰减，例如对木管乐器或铜管乐器近距离拾音）
0 E4 L: n( e( d9 X-较低的价格（通常来说，动圈传声器价格低于电容传声器）
-坚固耐用
-承受高声压的能力（例如，用于电吉他音箱或鼓组的拾音）
-低本底噪声
; p5 O% P& c' ^2 K" {- I-受温度和湿度的影响较小
-更高的可靠性（不需要供电）

5 `) I1 [) X' ?; E③. 当你有以下使用需求时，较好的选择是带式传声器：
, f" q1 I0 a) I5 y3 I-温暖、平滑的声音（例如，在对铜管乐器近距离拾音时可以使声音听起来没那么“尖锐”）

: ]% r8 D; Q7 x作者寄语：
# o$ |# }+ `& u! b& z需要注意的是，上述不同类型传声器的性能属性是总体趋势。譬如，有一些动圈传声器同样具备平滑的频响特性或高灵敏度特性，有些电容传声器则具备较好的动态余量并且坚固耐用。上面描述的传声器选择是基于各类型传声器的共性提出的。

长江滚滚来

2. 不同类型换能器的频响特性
下方示例A、B、C、D四项图表，它们的构成是：

& |& d( O* x  D4 N4 _+ x/ F
& L/ n+ R9 b! I  e( a, e) k最左侧一栏
5 Q0 ~9 o; M3 B! W+ q4 C- f2 b$ q此栏显示的分别是四种换能器与频率相对应的振膜速率（实线）或与频率对应的振膜位移（虚线）。
中间一栏
此栏显示的分别是压力阶差（在振膜前端和后端的声波压力差）对振膜震动的关系。对于全指向传声器来说，振膜的后端是密封的外壳，因此压差与频率之间的关系是恒定的。对于单指向或双指向（压力阶差）传声器来说，振膜的后端会受到声波的影响，并且与到达振膜前端的声波之间存在时间差，因此压差随着频率的提高而增加。
最右侧一栏
6 h, P4 _( z3 |3 O此栏显示的是振膜速率和压力阶差相加之后的结果（动圈传声器）或振膜位移与压力阶差相加之后的结果（电容传声器）。相加之后的结果就是传声器的振幅/频率响应特性。
; r* G; `/ z/ d" G2 U: w

% U4 W+ F' S  D图A（点击图片可放大）
如图所示为全指向动圈（全指向动线圈）换能器。这个类型的换能器对中频共振存在阻尼，因此振膜速率与频率变化之间的关系保持了相对恒定。输出电压与振膜速率整成比。振膜正反两端的压力阶差与频率变化之间也处于恒定状态，这是因为振膜的后端位于密封空间内。
因此，这一类型的传声器在大部分音频信号频率范围内都能够保持平坦的响应特性。

图B（点击图片可放大）
: _3 Q8 h" g) f) }, `
如图所示为全指向电容换能器。这个类型的换能器对高频部分的共振存在阻尼。振膜的速率每倍频程提升6 dB，因此振膜位移幅度与频率变化之间的关系保持恒定。输出电压与振膜位移幅度成正比。
4 T" E8 A5 g2 K4 Z3 u1 c压力阶差与频率变化之间的关系保持恒定，因此在大部分音频信号频率范围内保持平坦的频率响应特性。
2 I8 B4 J. C* q# I4 I
图C（点击图片可放大）

如图所示为单一指向的动圈换能器。这一类型的换能器对于低频共振存在阻尼，其振膜速率在大部分频率范围内都保持了每倍频程下降6 dB的趋势。输出电压与振膜速率成正比。但是，由于压力阶差在中高频段出现每倍频程提升6 dB的现象，因此在大部分音频信号频率范围内仍然保持了平坦的频率响应特性。

8 H- l3 A: [" s# S" ~4 U; H3 q图D（点击图片可放大）
  I4 ^6 k! t. w3 m8 o% `
如图所示为单一指向电容换能器。这一类型的换能器对于中频共振存在阻尼。其振膜速率与频率变化之间的关系保持恒定，振膜位移则在大部分频率范围内保持每倍频程下降6 dB的趋势。输出电压与振膜位移成正比。但由于压力阶差在大部分频率范围都保持每倍频程提升6 dB的趋势，因此仍然能够获得平坦的频率响应特性。