[怡生声音档案]——你知道的麦克风家族和你不知道的麦克风声电转换魔法

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作者: 怡生飞扬

传声器俗称“话筒”,“麦克风”,是整个声频系统中最前级也是最薄弱的环节,主要是起到将声音信号转化为音频电信号的作用(也称“换能作用”),这主要是因为麦克风后级的话放或者调音台等设备都只能处理电信号!针对这种换能的方式,一般把麦克风划分为动圈麦克风,电容麦克风,铝带麦克风。

《动圈篇》

首先来介绍最经典的动圈式传声器,从宏观角度可分为两部分:换能单元和升压单元。其中换能单元结构比较复杂且紧密,而升压单元结构基本上是由一个升压变压器组成。

结构:下图为最基本也是最简单的动圈式传声器换能单元模型,换能单元主要由三个基本元件组成,分别为振膜、音圈和磁体。

原理:动圈传声器换能单元是用来实现声信号转换为电信号,主要是基于电磁感应原理而制成的。首先,下图中的磁体能在周围产生一磁场,而音圈位于这个磁场中,且与振膜粘在一起,当声波作用在振膜上使振膜发生振动时,振膜带着音圈一起在磁场中振动,根据电磁感应定律,线圈在磁场中切割磁感线就会产生一个感应电动势E,但这个感应电动势并不是最终的输出音频信号,还有一部分电能要损耗在音圈阻抗上,其余的才是输出电信号V’。输出的电信号V’再给后级的升压变压器进行升压和阻抗变换,以便于与后级话放或调音台等音频设备匹配,保证传输的质量及稳定性。


动圈传声器的基本等效电路系统可用以下模型来体现,E为通过音圈振动在音圈上产生的感应电动势,R为音圈中的等效阻抗,V’为音圈最终输出电压,V’在经过升压变压器T升压后变成V,V为麦克风最终的输出电信号,供给后级的话放或者调音台等音频设备。

动圈传声器的振膜后面带有一个比较结实的音圈,相对于电容传声器来说更加耐摔,不易损坏,防风能力更强,而且能够承受更大的声压级,所以除了在舞台现场拾取人声之外,在单独拾取军鼓、大鼓、吉他音箱、铜管等乐器等大声压级的乐器使用也比较广泛,但是动圈传声器相对于电容传声器来说其灵敏度不高,而且频带难以像电容传声器能够轻易达到20Hz-20KHz。

《电容篇》

电容传声器又可根据电容音头是否能够自供电可进一步划分为真电容(Ture Condenser)及驻极体(Electret),目前市面上绝大多数的电容麦克风都属于驻极体,因为驻极体的尺寸可以控制得更小,并且其放大电路的设计可以简略掉电容音头供电部分,供电要求更低,简化电路设计,较小的驻极体对高频和瞬态响应有比较好的响应,但对低频响应却显得不足。


(1)真电容

结构:下图以sE2200电容麦克风来举例,电容麦克风的结构主要由电容音头、音头固定座、电路板、XLR接线柱组成。  

原理:下图为一个最基本的电容原理图,实现从声音信号到电信号的转换主要是靠电容音头来实现的,当48V幻象电源给电容音头供电后,电容音头便具备了工作的条件,此时只要当外界声波促使电容音头的振膜振动时,电容音头里振膜与固定电极的距离一改变,电容量就会发生变化,距离减小,电容量增加,距离增大,电容量减小,此时电容音头上的电压也会随之改变,同时电阻R上的电压也会跟随电容音头的电压发生改变,而我们一般取电阻R上的电压作为输出电信号。  

以上是主要实现麦克风声电转换的过程,在成功实现声音信号转换为电信号之后,由于输出的电信号很微弱,与后级的话放或者调音台等音频设备连接时,很容易损耗在传输线路中,因此需要将转换后的电信号进行放大,因此,电容麦克风都会有实现信号放大功能的电路板。


根据放大电路中放大管的类型,我们还可以进一步将电容麦克风划分为晶体管电容麦克风和电子管电容麦克风。  

晶体管麦克风的供电只需要外界提供48V的幻象电源即可,而电子管麦克风对供电要求较高,因此电子管麦克风都会搭配一个电源盒。



一般来说,晶体管麦克风比电子管麦克风更能够达到更高的技术指标,且电子管的体积庞大,价格昂贵,但是电子管丰富的偶次谐波能使音色更加温暖、甜美、细腻及柔和的特性,对于弦乐、钢琴和风琴等乐器及人声都有很好的效果,也使电子管麦克风成为高端、奢华的麦克风。


(2)驻极体

驻极体是指在经过高温高压处理后,能够在两表面分别存储正、负电荷的电介质,目前主要的驻极体材料有聚丙烯、聚全氟乙丙烯等,聚丙烯有较高的电荷密度,但是耐潮性能较差,而聚全氟乙丙烯具有较高的电荷密度且稳定性好,能耐高温,因此被广泛运用。

原理:驻极体的原理与真电容的原理基本相似,只是驻极体音头本身已经存储了一定的电荷,不需要48V幻象电源给音头供电,直接通过振膜极板的振动使两极板间的距离改变,使电容量发生变化,驻极体的电压也会随之变化,产生一个输出电信号,但是48V幻象电源需要给后面的放大电路供电。驻极体后面连接的放大管(场效应管)一般会与驻极体封装在一起,当给放大管供电的时候,驻极体输出的电信号才会被放大管放大。

电容麦克风由于振膜轻薄灵敏,因而灵敏度高,频响平坦,瞬态响应优越,可以适用的乐器及人声范围要比动圈麦克风广泛得多,具体还得根据麦克风的特性及个人喜好的音色特点而定。

《铝带篇》

铝带传声器可以看成是动圈传声器的变形,都是通过电磁感应原理来实现声音信号转换为电信号,但主要区别为动圈麦克风中用来接收声波的振膜和用来在磁场中产生感应电动势的音圈均由一片很轻的金属铝带来替代。但是铝带本身很薄,且害怕被风吹,过于娇气,容易损坏,铝带麦克风的使用不如动圈麦克风和电容麦克风广泛,但铝带声音区柔和自然,音质较高,一般用于录音棚内。

结构:铝带传声器与动圈传声器一样具有换能单元及升压单元,下图为最基本也是最简单的铝带传声器换能单元模型,换能单元主要由两个基本元件组成,分别为波纹形金属铝带和磁体。

 

原理:铝带传声器中的铝带既充当振膜,也用于切割磁场。当声波作用在铝带上的时候,铝带在磁场中发生振动的同时,切割磁感线产生一感应电动势。同样的,为了适当的提高输出电压,后级也需要连接一升压变压器来与后级的话放或调音台等音频设备进行匹配。

铝带麦克风相对于动圈来说,由于其振膜只有一片波纹带,灵敏度较高,频响特性较优越,对于人士、钢琴、鼓、管弦乐器等都有不错效果。

结语:麦克风的大门类虽然不多,但是每款不同的麦克风产品都能为我们带来不一样的惊喜声音。所以在真正专业的录音棚中,我们通常会常备数款不同的麦克风作为日常录音交替使用。通过介绍简单的不同类型的麦克风声电转换原理,希望能够让大家在选购和使用麦克风时心中有数!