通過了解設計原理選擇合適的傳聲器（二）

Bruce+Bartlett+金磊

【摘 要】 探討各種類型話筒的優點和缺點，并將這些優、缺點與各種類型的應用場景關聯起來，通過了解這些方面的知識 幫助大家正確地選擇傳聲器。

【關鍵詞】 傳聲器；設計原理；優、缺點；應用場合

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.005

4 傳聲器的指向特性

不同類型的指向特性（有指向的拾取模式）同樣有各自的優點和缺點。在進行進一步探討之前，先來回顧一下常見的傳聲器指向特性。

4.1 指向特性概覽

全指向傳聲器對從所有方向傳來的聲音具備相同的靈敏度；單一指向傳聲器則只對從一個方向傳來的聲音靈敏度最高（如從傳聲器前方傳來的聲音靈敏度高，而對從側面或后方傳來的聲音靈敏度較低）；雙指向傳聲器對于從兩個方向傳來的聲音靈敏度最高——前方和后方，但對從側方傳來的聲音進行衰減。圖8所示為不同類型的傳聲器指向特性。

單一指向傳聲器器可以細分為三個子類型：心形、超心形和混合心形。心形指向傳聲器對前方較寬角度范圍內的聲音靈敏度較高，在側面的靈敏度衰減幅度為6 dB，后方的靈敏度衰減幅度為15 dB～25 dB。超心形指向傳聲器對側向聲波的衰減為8.7 dB，并在軸向125°區域出現兩個零拾取區域?；旌闲男沃赶騻髀暺鲗认蚵暡ǖ乃p為12 dB，并在軸向110°區域出現兩個零拾取區域。

由于單一指向傳聲器和雙指向傳聲器可以隔離來自后方和側向的聲波，所以能夠幫助用戶去除不需要的聲音，例如房間反射聲、反饋或聲泄露（來自位于傳聲器偏軸區域的其他樂器）。這些傳聲器能夠在各聲軌之間保持良好的聲隔離或分離度。

在混合心形傳聲器的聲腔前端安裝開縫管（波干涉管）之后就成為超指向傳聲器，例如槍式傳聲器或線性指向傳聲器。這些傳聲器通常用于電影制作、電視制作和新聞采訪時對語音信號進行遠距離拾取。

4.2 近講效應

當與聲源的距離非常近的時候，大多數單一指向傳聲器和雙指向傳聲器都會出現低頻部分提升的現象。最常見的就是歌手在距離傳聲器很近的距離演唱時，聲音會變得較為渾厚。這種由于距離聲源較近而導致低頻部分得到提升的現象被稱為近講效應。這種現象通常出現在single-D類型的單一指向傳聲器上，這類型傳聲器的振膜與前端和后端的聲波入口距離固定。

近講效應可以使鼓的聲音變得更加溫暖和飽滿。但在大多數錄音應用當中，近講效應會導致樂器的聲音或人聲過于渾濁、不自然。為了降低近講效應的影響，一些采用特殊設計的Multiple-D類型傳聲器開始出現；其他類型的傳聲器則通過內置的低頻滾降開關對低頻提升現象進行增益補償。當然，用戶也可以使用調音臺上的均衡器來對過多的低頻能量進行衰減，同時也可以衰減傳聲器拾取到的聲泄露當中的低頻能量。

4.3 選擇指向特性最合適的傳聲器

全指向傳聲器的一些特性使其非常適合在某些特定場合使用。

在以下應用場合，使用全指向傳聲器是較好的選擇：

（1）全向拾音；

（2）拾取房間的混響聲；

（3）希望降低pop聲（爆發性的呼吸聲）對聲音拾取的影響；

（4）較低的機械噪聲；

（5）無近講效應；

（6）擴展的低頻響應（電容傳聲器）；

（7）相對來說較低的成本。

在以下應用場合，使用單一指向傳聲器是較好的選擇：

（1）有選擇性的聲音拾??；

（2）避免房間混響聲、背景噪聲和聲泄露的影響；

（3）近講效應對聲音質量有幫助時；

（4）與擴聲系統配合使用時，獲取更好的反饋前增益；

（5）同步立體聲拾音。

在以下應用場合，使用心形指向傳聲器是較好的選擇：

（1）對傳聲器前方較寬的區域對聲源進行拾??；

（2）對來自傳聲器后方的聲音進行最大程度的隔離。

在以下應用場合，使用超心形指向傳聲器是較好的選擇：

（1）需要實現前半區和后半區聲音拾取差異最大化；

（2）尋求在隔離來自后方的聲音（來自地面返送揚聲器）和隨機突發的聲音（來自主擴聲系統揚聲器）之間的適當的平衡點。

在以下應用場合，使用混合心形指向傳聲器是較好的選擇：

（1）希望通過單一指向傳聲器實現側向隔離最大化；

（2）對房間混響、聲泄露、反饋和背景噪聲實現最大化隔離?；旌闲男蝹髀暺鲹碛凶罴央S機能量效率（對隨機出現的突發性聲音具有最佳隔離度）特性。

在以下應用場合，使用雙指向傳聲器是較好的選擇：

（1）需要同時拾取傳聲器前方和后方的聲音信號，同時還需要對側向的聲音進行隔離（如面對面訪談）；

（2）以軸向向下傾斜、吊裝的方式拾取交響樂團坐席聲音信號時，實現對側向聲音的隔離；

（3）布魯姆林立體聲拾取方式。

在以下應用場合，使用槍式傳聲器是較好的選擇：

（1）從較遠的距離拾取所需的聲音信號；

（2）在電影、電視和新聞制作中進行遠距離拾音；

（3）希望對背景噪聲和房間反射聲進行最大化隔離。

需要注意的是，無論是電容傳聲器還是動圈傳聲器，都可以被設計為任意指向特性（除了雙指向動線圈設計外）。帶式傳聲器或是雙指向設計，或是混合心形指向設計。圖9是根據換能器類型和指向特性劃分的傳聲器分類表。

4.4 指向特性是如何形成的

在傳聲器振膜后方設置不同類型的氣孔、氣管和阻尼材料，通過這種方式可以使傳聲器對來自不同方向的聲音的響應發生變化。endprint

全指向傳聲器（電容或動圈）只在振膜前端采取開放式設計，因此，振膜只對來自外界的壓力產生響應。從所有方向到達振膜前端的聲波壓力都是相等的，因此，對于從任意角度到達振膜前端的聲音信號來說，傳聲器的輸出電壓是相同的，也就是說，傳聲器對來自所有方向的聲音信號具有相同的響應特性。但是，在高頻部分全指向傳聲器的指向特性會變成雙指向，這是由于對于聲波的高頻部分來說傳聲器本身就是一個障礙物。

與之相反，單一指向傳聲器（電容或動圈）在振膜的兩側都采用開放式設計。振膜通過其正反兩面的壓差驅動。在振膜的后端入口帶有一個聲學相位偏移網絡（RC或RLC低通濾波器）。這個濾波器在其拐角頻率以下會產生一個恒定的延時。這個恒定的延時就是使傳聲器產生單一指向特性的原因：聲波不但從前端擠壓振膜，同時也從后端入口擠壓振膜，聲波到達前端和后端的時間差異和后端入口處的相位偏移網絡會產生相位偏移。因此，振膜同時受到到達前端的聲波以及經過相位偏移的后端聲波擠壓，見圖10。由于相位偏移在振膜正反兩側產生的瞬時壓差驅動振膜進行振動。

從后方傳來的聲波通過兩個路徑到達傳聲器的振膜位置：①繞過傳聲器腔體后到達振膜前端入口，②通過后端入口和相位偏移網絡。聲音信號被加入了由于聲波輻射需要繞過傳聲器腔體所產生的外部延時和相位偏移網絡產生的內部延時，見圖11。

在心形指向傳聲器設計中，內部延時被設置為與外部延時相等，因此，聲波同時到達振膜前端和后端。由于從前方傳來的聲波和從后方傳來的聲波極性相反，因此產生抵消現象，從而使得從后方傳來的聲波不會產生或產生非常小的輸出電壓。這就是心形指向傳聲器隔離后方聲音信號的原理。

相位偏移網絡僅對中高頻以下的頻段起作用。對高于中高頻段的聲音信號來說，傳聲器腔體本身就是一個物理上的障礙物，可以對來自后方的高頻信號進行隔離。

通過外部延時和內部延時的比例調整（通過調整聲波入口的空間尺寸和聲學優化），可以形成其他類型的指向特性。每一種指向特性都有一個特定的角度，在這個角度上兩個延時相等（產生抵消）。雙指向傳聲器的最佳抵消角度在側面（偏離軸向90°），心形指向傳聲器的最佳抵消角度在后端（180°），混合心型指向傳聲器的最佳抵消角度為110°。

一般來說，傳聲器的指向特性可通過下列等式計算得出：

r=A+Bcosφ （1）

其中：

r ：在角度φ的輸出振幅（當角度為0°時，r=1）；

A/B ：內部延時與外部延時的比例，A+B=1；

φ：聲波傳入的角度，0°為聲波從傳聲器軸向上傳入（傳聲器正前方）。

通過上面的等式可以得出以下結果：

（1）全指向傳聲器：r=1；

（2）心形指向傳聲器：r=0.5+0.5cosφ；

（3）超心形指向傳聲器：r=0.366+0.634cosφ；

（4）混合心形指向傳聲器：r=0.25+0.75cosφ；

（5）雙指向傳聲器：r=cosφ。

需要注意的是，對于雙指向傳聲器來說A = 0，因為這一類型的傳聲器沒有相位偏移網絡；對于全指向傳聲器來說B = 0，因為這一類型的傳聲器振膜的后端位于密封艙體。對于心形指向傳聲器來說，A/B = 1。

4.5 全指向傳聲器的優勢

全指向傳聲器的優勢使其在常規應用場合成為第一選擇。由于結構簡單（沒有后端入口或相位偏移網絡），全指向傳聲器的價格通常會低于指向性傳聲器，并且能夠提供更為平滑的頻響曲線。此外，全指向傳聲器對機械噪聲和pop噪聲的靈敏度比單一指向傳聲器低15 dB～20 dB。原因在于，全指向動圈傳聲器的共振頻率大約在500 Hz～1 000 Hz范圍內，并有針對性地采取了大幅度阻尼衰減處理；而單一指向傳聲器的共振頻率大約在150 Hz，并且阻尼衰減處理幅度較小，因此，低頻機械沖擊較容易導致振膜振動。

對任何尺寸的全指向電容傳聲器來說，振膜部分的剛度都被控制在共振頻率之下（通常來說在8 kHz～10 kHz）。振膜的速率在到達共振頻率之前都保持每倍頻程提升6 dB的特性，見圖12。由于振膜位移產生的是層速度，因此，振膜位移幅度在低于共振頻點時與頻率變化為恒定關系。輸出電壓與振膜位移成正比，因此在低于共振頻點時輸出電壓也與頻率變化保持恒定關系。

換句話說，全指向電容傳聲器在低于共振頻率的頻段能夠提供平滑的頻響曲線（有意對低頻進行滾降處理除外），這一特性是所有尺寸規格的傳聲器的共性（盡管對于揚聲器來說，較小的尺寸意味著低頻響應受到限制，但即使是微型全指向傳聲器，也可以在低至約20 Hz的頻段內提供平滑的頻響曲線）。圖13所示為一個微型全指向電容傳聲器的振幅/頻率響應曲線。

與之相反，采用指向性設計的傳聲器通常在低頻部分出現滾降的趨勢，特別是當距離聲源只有幾英尺時。這是因為，采用指向性設計的傳聲器振膜依靠振膜前端和后端的壓差來驅動。對于聲波中的低頻部分來說，在振膜前端和后端形成的壓力同相。由于作用于振膜兩側的瞬間壓力幾乎相等，因此，振膜的振動幅度非常小，也就意味著輸出電壓非常低。

此外，全指向傳聲器相對于單一指向傳聲器來說，在離軸區域的聲染色程度較低。全指向傳聲器在離軸方向出現聲染色的表現為在高頻部分出現滾降。振膜尺寸越大，高頻能量滾降幅度越大。單一指向傳聲器的離軸區域聲染色，除了同樣具備高頻滾降的特征，還會在整個頻響范圍內出現波峰和波谷。這是由于到達振膜前端和后端的聲波之間的相位關系與頻率變化不一致所導致的。

5 振膜尺寸

在某些應用場合當中，大振膜（振膜直徑超過1 cm）比小振膜有更多的優勢，反之亦然。

5.1 選擇合適的振膜尺寸

在以下應用當中，選擇大振膜傳聲器是較好的選擇：endprint

（1）希望采用指向性設計的傳聲器能夠提供擴展的低頻響應（通常來說）；

（2）降低對風噪和pop噪聲的靈敏度；

（3）獲得更高的靈敏度；

（4）獲得更低的本底噪聲；

（5）獲得更高的信噪比。

后面三個特性是相互關聯的：振膜尺寸越大，換能器越能夠提供比傳聲器本身電器元件所產的本底噪聲能量更高的音頻信號。

在以下應用當中，選擇小振膜傳聲器（微型傳聲器）是較好的選擇：

（1）不希望傳聲器影響視覺效果（用夾子固定在新聞廣播員身上或樂器上）；

（2）對持續移動的聲源進行穩定一致的拾?。ㄓ脢A子固定在新聞廣播員身上或樂器上）；

（3）最小化離軸聲染色對音質的影響（對一個寬角度聲源進行拾取，例如大型合唱團或鼓組中的镲片）；

（4）在對聲源采用界面拾取方式時，希望獲得擴展的高頻響應；

（5）在對聲源采用界面拾取方式時，希望在整個頻率范圍內獲得一致的指向特性。

5.2 微型傳聲器的優勢

對于尺寸較大的同類傳聲器來說，小型全指向傳聲器的離軸聲染色程度較低（高頻滾降）。原因在于：由于衍射的原因，軸向上的高頻能量出現提升，而在離軸區域則不會出現提升。

當振膜直徑等于波長時，相對應的頻率能量提升最大。對于小振膜傳聲器來說，最大能量提升現象發生在可聞頻段之上；大振膜傳聲器的高頻能量最大提升現象通常發生在11 kHz～18 kHz，因此，對于大振膜傳聲器來說，軸向和離軸區域的高頻響應變化更容易被察覺。此外，小振膜傳聲器在離軸區域的相位差小于大振膜傳聲器，因此，在其離軸區域的高頻部分產生的抵消更少。簡單的說，換能器尺寸越小，離軸區域的高頻滾降幅度越小。

小型指向性傳聲器在離軸區域的聲染色程度低于大尺寸指向性傳聲器。原因是：大尺寸傳聲器的指向特性在低頻部分是通過相位偏移網絡實現的，在高頻部分則通過衍射實現；而小尺寸傳聲器的指向特性即便是在非常高的頻段也是通過相位偏移網絡實現的。

由于使相位偏移網絡產生的相位差與通過衍射產生的相位差相等非常困難，因此，大尺寸傳聲器的指向特性會隨著頻率的變化而發生變化。對于小尺寸傳聲器來說，指向特性在大部分可聞頻段內都可以通過相位偏移網絡進行控制，因此，其指向特性與頻率之間的關系能夠保持相對恒定。由此產生的結果就是，小尺寸傳聲器在離軸區域的聲染色程度低于大尺寸傳聲器。

圖14顯示了一支振膜直徑為1.19英尺（約3 cm）的心形指向傳聲器的指向特性隨頻率變化而發生變化的情形。圖15顯示了一支微型混合心形指向傳聲器在同樣條件下的指向特性變化情況。從圖中可以清楚地看到，尺寸較小的傳聲器的指向特性在頻率變化時保持了較高的一致性，尤其是在前半區。

在被安裝在一個反射面作為界面傳聲器使用時，小尺寸傳聲器能夠提供比大尺寸傳聲器更平滑的高頻響應特性。原理如下：在一些界面傳聲器的結構當中，傳聲器的換能器的軸線與邊界平面平行，振膜的中軸略高于邊界平面。因此，界面反射聲到達振膜的時間晚于直達聲，也就是說反射聲與直達聲之間存在時間差，見圖16。

當直達聲和反射聲在振膜中心點進行融合時，會在高頻部分出現相位干涉現象。振膜尺寸越小，延時也越小，并且產生最大抵消的頻率越高。如果振膜直徑為1 cm或更小時，產生最大抵消的頻率就會出現在可聞頻譜之上，因此，采用這種結構設計的界面傳聲器在高頻部分的頻響曲線相對來說較為平坦。

在其他使用條件相同的情況下，小尺寸傳聲器在被水平放置在平面上時，相較于大尺寸傳聲器所產生的高頻滾降幅度較小。

當傳聲器被向下指向安裝時（換能器指向反射平面），會在振膜和平面之間形成一個細縫和復合腔體。這個細縫和腔體在聲學上會構成一個RLC網絡（低頻濾波器），導致在高頻部分出現滾降現象。傳聲器尺寸越小，聲學腔體越小、細縫越短，因此，在可聞頻段內的高頻滾降幅度也越小。

在作為界面傳聲器使用時，微型傳聲器在高頻區域的指向特性的一致性優于大尺寸傳聲器。對于大尺寸傳聲器來說，由于界面反射產生的相位抵消發生在可聞頻段內，同時這種相位干涉也會影響指向特性。

5.3 微型傳聲器的缺點

微型指向性傳聲器會在低頻區域出現滾降現象，主要是由于對于小尺寸換能器來說，需要較低的振膜振動阻尼來獲得合適的靈敏度。但這個問題可以通過在傳聲器電氣部分加入校正均衡（提升低頻）或借助近講效應來獲得更平滑的頻響曲線。因此，對于近距離拾音的樂器來說，低頻部分的聲音信號能夠被真實地還原。

傳聲器的靈敏度與振膜面積成正比。因此，相對來說小尺寸換能器的信噪比低于大尺寸換能器。小尺寸換能器的等效噪聲通常為28 dBA～33 dBA，大尺寸換能器的等效噪聲通常為14 dBA～18 dBA。

在實際應用當中，微型傳聲器較低的信噪比并不會產生明顯的問題。安裝距離非常近的微型傳聲器會接收到樂器的非常高的輸入聲壓，因此能夠有效提高拾取信號的信噪比。另一個辦法是將換能器安裝在反射界面，直達聲與反射聲的耦合疊加會提供額外的6 dB輸入聲壓。換句話說，表面安裝方式可以有效地將信噪比提高6 dB。

6 在自由場傳聲器和界面傳聲器之間選擇

自由場傳聲器通常用于遠離反射面的位置，界面傳聲器則用于諸如地板、墻面、桌面、鋼琴蓋或內部平面等位置。這些界面傳聲器通常是一個緊鄰聲反射板或界面、面向下方的微型電容換能器或面向上方嵌裝在一個聲反射板或界面上的微型電容換能器。傳聲器振膜接收到的直達聲和反射聲在所有頻率都是同相的，因此，不會產生相位干涉現象。

在錄音室里，界面傳聲器通常被貼在鋼琴蓋下方使用，或者貼在墻壁上拾取房間的環境聲。界面傳聲器可安裝在樂器之間的硬質障板或平板上，將其作為定向拾音傳聲器使用。endprint

采用單一指向設計的界面傳聲器非常適用于演講、新聞播報、戲劇或音樂劇表演中對舞臺地面信號的拾取。

當傳聲器安裝位置遠離反射面時，應選用自由場傳聲器。當傳聲器與聲源之間的距離非常近的時候，也可以使用自由場傳聲器。此時，相較于直達聲，反射聲的能量較弱。當傳聲器安裝位置距離反射面較近時，應選用界面傳聲器。

6.1 界面傳聲器的優點

（1）由于直達聲與反射聲的融合，聲學靈敏度和信噪比都會增加6 dB；

（2）能夠有效消除由于反射造成的梳狀濾波現象；

（3）可使用多個反射平面來增加信噪比（每一個平面可增加6 dB）和減少混響聲的拾?。恳粋€平面可降低3 dB）；

（4）離軸區域聲染色最小化（對于寬角度拾音或持續移動的聲源來說）；

（5）由于混響聲造成的聲染色最小化；

（6）具備出色的“延展”特性——可清晰地拾取距離較遠的小能量聲源信號；

（7）這類型傳聲器通常并不顯眼，可以緩解“傳聲器恐懼癥”。

6.2 界面傳聲器的缺點

（1）傳聲器必須放置在距離聲源相對較遠的位置，并且可能會拾取到過多與聲源無關的聲音、混響聲或出現聲反饋；

（2）需要一個尺寸較大的界面來擴展低頻響應和實現對低頻的定向拾取。

7 不同價格之間的選擇

在選擇傳聲器的時候，成本是其中一個考慮因素，特別是對于預算較為緊張的家庭工作室來說。

高端傳聲器價格更高的原因如下：

（1）品質控制更為嚴格，因此其容差范圍較小。品控嚴格的好處是，每一支傳聲器的品質一致性更好。制造商對靈敏度、頻率響應和指向特性進行細致的控制也就意味著制造成本會增加，當然售價也會隨之提高。

（2）提供一些額外的附加屬性。例如，雙線圈、內置防振架、指向性可調、頻響曲線可調、開關、內置衰減器、可替換的組件、multiple-D結構、昂貴的高通量磁體、堅固的結構設計和使頻率響應更平滑的復雜的聲學校正網絡。

8 結論

眾所周知，沒有一支傳聲器能夠適用于所有應用場合。如果一支傳聲器在某一領域特別出色的話，那么很有可能在其他應用領域的適用性比較差。選擇什么樣的傳聲器很大程度上取決于用戶愿意做出多少妥協。通過了解傳聲器的工作原理，可以幫助大家做出更明智的選擇。

有時，會有一支在設計上完全沒有任何折衷妥協的傳聲器出現。也就是說，這個新出現的傳聲器可能會在獲得某項性能提升的同時而無需在其他方面做出犧牲。這種情況通常是在工程學出現突破的時候才會發生。例如，電容傳聲器曾經被認為是只能在錄音室安全使用的專用設備，而現在已經出現了大量能夠承受多次跌落在硬質木地板這種意外情況的錄音室級別電容傳聲器。同樣，動圈傳聲器在過去所能提供的靈敏度遠遠低于電容傳聲器，而現在由于磁體材質和磁體結構的改進，市場上已經出現了高靈敏度的動圈傳聲器。

因此，盡管在設計上做出折衷仍然是無法改變的事實，但制造商們都在努力最小化折衷和制造更好的傳聲器。因此，選擇合適的傳聲器會變得越來越容易。

（編輯 薛云霞）endprint