传声器（话筒）的设计原理-中篇

长江滚滚来 · 发表于 2017-11-15 11:12:50

各类传声器的优缺点
1. 瞬态响应
由于电容传声器的振膜质量较小并且阻尼较高，因此对于变化速度较快的声源来说它们的响应速度比动圈传声器更快（瞬态）。
使用性能出色的电容传声器时，我们可以听到敲击镲片时的“砰”声或者弹奏吉他和弦时拨弦的声音。电容传声器能够提供清晰、细节丰富的声音，使得它们非常适合用于镲片、军鼓、原声乐器和人声录音等用途。
通常来说，动圈传声器的瞬态响应弱于电容传声器。因此，动圈传声器可以用于需要对细节过于丰富的声音进行“软化”的应用场合。

2.频率响应
由于换能器结构设计相对来说较为简单，电容传声器通常来说能够提供更为平滑的频率响应特性。同样，由于结构较为简单，带式传声器的无峰值频响特性使其广受赞誉。此外，带式传声器的金属箔片振膜被设计为波纹型以降低破损的几率。
与之相反，除了一些品质非常出色的动圈传声器之外，一般来说动圈传声器的频响特性没有电容传声器或带式传声器那么平坦。动圈传声器的换能器结构中包含一个可与振膜活塞机构脱离的线圈，或者说可以前后运动的线圈。这个结构特性使得动圈传声器的频率响应特性存在峰值的限制。此外，由于线圈在声学上将振膜机构分割为两个声腔，从而与磁隙惯量产生共振并导致频率响应异常。电容传声器和带式传声器的振膜同样为可分离结构，但通常来说对频率响应的影响程度较低。

由于振膜质量较小，因此电容传声器通常能够提供比带式或动圈传声器更出色的高频响应特性。尽管带式传声器的振膜质量也较小，但由于振膜前端和后端之间的声学相位干涉作用会导致在高频区域形成抵消。这是由于高频部分的波长很短，在带式振膜两侧的信号有可能会形成极性相反，因此会产生声学抵消现象。由于结构设计的原因，这个问题在电容或动圈传声器当中并不会出现。在振膜后方的高频能量或被传声器外壳衰减（全指向传声器），或被声学相位偏移网络消除（单一指向传声器）。
动圈传声器的高频响应特性可以通过设置在振膜前方的Helmholz谐振器实现扩展。Helmholz谐振器是拥有1个或多个声波入口的小尺寸气室，在高频部分产生的谐振能够改善动圈传声器的高频响应表现。但是，这个设计仍然有一定的局限性，在高于谐振器共振点的频段会出现衰减以及更高程度的相位偏移。Helmholz谐振器也经常应用于电容传声器设计当中，但通常来说所需的高频能量提升会小于动圈传声器。

3. 灵敏度
一般来说，电容传声器的灵敏度最高，其次是动圈传声器，而带式传声器的灵敏度最低。以下是这三种类型传声器较为典型的开路灵敏度参数：

电容传声器
-65 dBV（5.6 mV/Pa）
动圈传声器
-75 dBV（1.8 mV/Pa）
带式传声器
-80 dBV（1 mV/Pa）

长江滚滚来 · 发表于 2017-11-15 11:48:16

电容传声器的灵敏度高于动圈传声器的原因是，电容传声器的换能器设计效率更高，并且内置了相应的前置放大器使其能够获得更高的增益。电容传声器的输出电压可通过一下公式计算得出：

V = 通过电容器的电压；
△V = 电压变量或输出信号电压；
C = 振膜和背面电极之间的电容量，单位为法拉；
△C = 由于振膜移动使电容的两极距离减少或增加，由此产生的电容量变化。

电压越高，灵敏度越高。但是过高的电压会导致振膜由于静电斥力的原因被吸附在背面电极上，阻碍振膜的震动。
电容量变化越大，电压变化越大（也就是说，输出信号电压越大）。振膜的面积越大或振膜与背面电极之间的距离越小，电容量的变化越大。不幸的是，大尺寸振膜由于衍射等因素影响，容易在偏轴方向产生声染色；而降低振膜与背面电极之间的距离非常困难并且造价昂贵，需要在组装过程中非常小心的避免微尘颗粒进入振膜和背面电极之间的空腔。因此，传声器制造厂商必须找寻一个适当的折衷解决方案。
为了获取足够的灵敏度，动圈传声器同样需要从设计上寻找一个这种解决方案。动圈传声器的输出电压公式如下：

e = 输出电压（感应电动势）
B = 磁通密度，单位为特斯拉
l = 导体长度，单位为米
v = 运动速度，单位为米/秒
磁通密度越高，线圈的匝数越多，输出电压越高。但是尺寸过大的磁体可能会在声学上影响频率响应特性，同时也会增加传声器的尺寸和重量。同样，线圈的匝数过多会增加动圈机构的质量，导致传声器对高频响应的劣化。如果通过缩小磁隙来获取更高的磁通密度的话，很难确保线圈不会与磁极产生摩擦。值得一提的是，例如钐钴磁铁等新型磁体材料能够以较小的体积产生较高的磁通密度。
带式传声器的灵敏度低于动圈传声器的原因是，带式传声器只有1个低阻抗导体（带状金属箔片）来产生电信号，需要大尺寸磁体和升压器来提升输出电压。此外，带状金属箔片依靠振膜正反两侧的压差（压力阶差）驱动，这种压差对于双指向性的带式传声器设计来说甚至小于单一指向设计的动圈传声器。

4.尺寸
与动圈传声器相比，电容传声器的体积可以小很多。动圈传声器需要一定体积的磁体和音圈才能够提供足够的输出电压，但即使振膜面积小于1cm2的电容传声器也能够提供足够的输出电压。

5.最大声压级
一个设计良好的动圈传声器可以承受非常大的声压而不会在输出端产生过多的失真。即使是非常高的声压也只会使振膜产生轻微的震动。但是电容传声器所使用的电器元件很容易由于换能器产生的电信号导致过载。如果在换能器和电器元件之间插入衰减器来避免过载的话（譬如，用来增加最大声压级承受能力），那么信噪比也会相应下降。如果传声器电器元件的动态余量采用最大化设计时，通常来说需要付出的代价就是消耗更多的电流和更高的本底噪声。换能器制造商必须对所有这些影响因素进行综合考虑，并根据实际应用需求来决定适合的设计方案。
本底噪声 –由于没有需要外部供电的元器件，动圈传声器的本底噪声与电容传声器相比非常低。动圈传声器产生的开路噪声电压可通过一下公式计算：

E = 噪声信号电压，单位为伏特；
k = 波兹曼常数（1.38 x 10-23 J/K）；
R = 传声器的内阻，单位为欧姆；
T = 温度，单位为开尔文；
ΔF = 频率带宽，单位为赫兹。
传声器输出阻抗（在一个特定频率的电阻，于传声器连接终端测量所得）越高，它的本底噪声越大。本底噪声可通过以下等式计算：

Vn = 噪声信号电压，单位为dBV；
S = 传声器灵敏度，单位为dBV/μbar。
举例：
如果一个噪声信号电压为-133 dBV、灵敏度为-75 dBV/μbar的传声器，其本底噪声为16 dB SPL。这项数值是根据无计权测量结果进行计算的。如需要A计权参数则需要通过模拟人耳频响曲线的计权网络进行测量（在低于1 kHz以下的频率进行滚降处理）。根据A计权测量结果计算所的数值相对来说更接近人耳的听感。
一支本底噪声极低的电容传声器指标为14 dBA。如果一支电容传声器的本底噪声指标低于20 dBA的话，通常被认为是非常出色；如低于30 dBA，通常被认为是性能良好的电容传声器。
6.供电系统需求
电容传声器需要外接电源供应系统才能够工作，譬如电池或外置的幻像电源系统。幻像电源是通过传声器连接器的pin 2和pin 3来传输的12 – 48 V直流电。传声器使用相同的两条导线接受幻像供电和发送音频信号。很多调音台都支持通过它们的信号输入接口为传声器提供幻像电源，用户只需要将传声器与调音台的输入端口连接就可以获取幻像电源。
与之相反，动圈传声器不需要任何供电系统就可以工作，因此可靠性更加高。

7.兼顾与耐用
一只设计良好的动圈传声器通常来说都非常耐用，并且可以在一定程度的恶劣使用条件下保持性能完好。一些现代的电容传声器也具备相同的耐用性，尽管它们复杂的电气组件可能看起来很脆弱。反之，带式振膜则非常脆弱，大风或恶劣的使用习惯都有可能导致振膜变形。
高温和高湿度都有可能导致驻极体损坏，但对动圈换能器来说则影响不大。过高的湿度会导致电容传声器的振膜与背面电极之间的狭小空间充满水汽，从而导致换能器失效。对于动圈换能器来说，线圈和磁体之间的空隙较大，因此在高湿度环境下受到的影响较小。

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