一种心形指向性拾音器实例分析

焦 峰 李玉骢

1.威泰视讯设备（中国）有限公司

2.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院

一种心形指向性拾音器实例分析

焦 峰1李玉骢2

1.威泰视讯设备（中国）有限公司

2.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院

文章简要叙述了一种电容式驻极体在拾音器电路的应用及降噪方法，并介绍了一种实际的心形指向拾音器。由于实际的拾音电路容易受到外界的电磁干扰，为了解决这种问题，作者对拾音器采用了一些电磁屏蔽措施，效果十分理想。

电容式驻极体;降噪;金属编织网

前言

拾音器俗称话筒或麦克风(Microphone) ,是一种将声波转为电信号的换能器。传声器是录音棚、电影电视录音、音乐语言扩声和通信设备拾取语言信号必不可少的电声器件。为保证录扩系统整体的声学质量，作为音响、录扩声系统第一环节的拾音器肩负着重任。而拾音器的水平也必然随着扩声系统水平的提高而不断提高。

目前市场上多数拾音器主要使用电容式驻极体，以下首先介绍电容式驻极体。

1 电容式驻极体工作原理

电容式驻极体是在一种特殊的有机薄膜上蒸上一层很薄的金属作为一个电极( 振膜) ，与另一极（后极）组成一个平板电容器。当振膜在声波作用下产生振动时，两极之间间隙发生改变，电容量随之发生相应变化。当电容器两极之间加上恒定直流电压时, 振膜的振动使平板电容的容量发生变化，极板上的电荷量就会随之变化。变化的电荷流过外负载电阻，在电阻上会产生一个与声波同规律的电压降，这就实现了声能-电能之间的转换。

通过阻抗非常高的场效应管将电容两端的电压取出来，进行放大，就得到和声音对应的电压。场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都需要施加一个直流偏置方可工作。电容式驻极体的振动部件是一个非常薄的有机膜, 所以电容驻极体性能一般都可做得很好。

2 电路设计

在录扩声系统中, 拾音器处于系统的第一环节，与前置放大器连接。描述拾音器电声性能的客观主要指标有：输出阻抗、灵敏度、灵敏度频率响应、指向性特性、失真限制下的最大声压级和等效噪声级等。

针对具体型号的参数设计，本文作者采用松下（Panasonic）WM系列电容式驻极体，设计了一种高保真拾音器，以下介绍该电路的设计和分析。

2.1 电容式驻极体参数分析

从驻极体厂商提供的资料（见图1）可以看出，WM系列产品在400赫兹以下的低频衰减明显，因此需要对WM系列产品做低频补偿。

图1 电容式驻极体的频率响应曲线

2.2 电源电路

拾音器采用幻象供电，对电源利用率提出较高要求。作者采用了宽电压范围（11V～52V）幻象供电设计，以满足更多使用环境。图2为电源原理图。其中C1、C2为旁路电容，滤除高频干扰；Q3、R3、R4构成恒压电路，以满足幻象供电电压在较大幅度范围内变化。为保证放大电路和驻极体供电电压在较小范围内变化，一般拾音器幻象供电电压为48V，其中C4需要高耐压电容。

对电路用Multisim进行仿真，11V供电时，VCC=7.3V；52V供电时，VCC=8.3V；48V供电时，VCC=8.2V。

图2 电源部分

2.3 放大电路

电源处理电路为放大器提供单电源供电，因此放大器需偏置电路。如图3。R9、R10、R12构成偏置电路；信号从驻极体经过C7耦合（C7需选用高质量CBB电容）；R13者R16构成补偿网络，通过S1对固定频段进行增强或衰减；R6、R14为75Ω，其输出阻抗为75Ω；R7等于R11，对信号反向用于平衡输出。根据驻极体的实际参数选择合适的放大倍数，从而确定R5。

图3 放大电路

2.4 使用模式

工频衰减模式（如图4）。利用Multisim进行仿真，对工频干扰进行衰减，在80HZ衰减3dB，在50HZ衰减6dB，加强对此两频点的抑制，可以有效减少交流干扰、减低低频噪声干扰（如汽车引擎声、空调系统声）。

图4 工频衰减仿真图

平直模式（如图5）。因驻极体的固有特性，需要对其低频进行提升，其他频段只需放大一倍，从而满足各频段真实反映实际接收的信号。平直模式适合舞台录音等要求较高的场合。

图5 平直仿真图

高通模式（如图6）。为使拾音器高频得到增强，可断开反馈回路中的反馈电容C8。在放大电路中增加反馈电容以消除自激振荡带来的不稳定，而去掉反馈电容则可使高频信号得到增强。高频信号丰富可使语音清晰，有利于提高监听系统的性能。

图6 高通仿真图

2.5 指示电路

在扩录音使用中，人们关心声音是否被记录。为便于在无监听情况下使用，作者设计了实时反映音量和声音有无的指示灯。拾音器中增加了亮度随声音强度变化的指示灯。输出信号MIC与参考电压V1进行比较，比较器输出PWM控制LED灯的亮度（如图7）。因比较器负载能力较弱，所以需在输出端D1加OC门以增强负载能力，驱动LED。

图7 比较电路

2.6 器件选择

扩录声系统中，前级电路比后级电路对系统效果影响更大。因此放大器需选择低噪声、低功耗放大器，电阻选择噪声低的金属膜电阻。

2.7 测试曲线

心形指向是指在0°到60°区域内接收灵敏度无明显改变，频响曲线基本平直。图8是拾音器在规定条件下的灵敏度和频率的关系曲线。

3 电磁干扰屏蔽措施

实际应用中，手机信号是拾音器常面临的电磁干扰之一。手机信号会串入拾音器，导致扩路声系统中发出“兹兹”的干扰声，此现象在手机接通期间尤为明显。拾音器是该种干扰声最初的产生环节，经逐级放大，最终导致扩声系统这种干扰声问题。因此有必要针对拾音器进行手机信号屏蔽处理，且这种防屏蔽措施需装配操作方便、成本合理。

3.1 金属编织网的电磁屏蔽特性

对比基本电磁参数相同的屏蔽薄膜与金属编织网的屏蔽效能SE，可以清楚地了解金属编织网的电磁屏蔽特性。设TEM波垂直入射在无限大厚度为d的薄膜材料上，其屏蔽效能公式为：

f,c分别是入射波频率和真空中光速。可看出, 薄膜材料SE的频率特性是：存在频率过渡区域，当f在这个区域以下时，SE基本不显示频率依赖性；f在这个区域以上时，SE和lgf近似有简单线性关系SE=algf+b (a>0,b<0)。频率过渡区域的中心随d和σ的增加而降低。对比计算结果可发现，金属编织网和薄膜材料对电磁能量屏蔽的相同点是：两者都存在频率过渡区域，f在这个区域以下时，SE几乎不显示频率依赖性；f在这个频率以上时,SE和lgf存在简单线性关系。不同点是：薄膜材料的SE 随频率的增加而升高，金属编织网SE 随频率的增加而降低。当l=d、电磁参数相同时，薄膜材料的SE要比金属编织网高。图9为金属编织网的示意图。

图9 金属编织网示意图

3.2 缝隙处电磁屏蔽处理

结构件在制造时做开槽处理，以便于放置电磁密封衬垫。选择电磁密封衬垫时要考虑几个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求和成本要求。导电橡胶是在硅橡胶内填充占总重量70%～80%的金属颗粒，如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银玻璃球等，是制作电磁密封衬垫的理想材料。

3.3 注意事项

金属屏蔽体应良好接地。静电屏蔽使屏蔽体外侧的感应电荷流入大地，而不会有感应电场存在。对于交变电场屏蔽，交变电场对敏感电路的耦合干扰电压取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。因此使金属屏蔽体良好接地，就可使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。金属屏蔽体接地不好，屏蔽效果会下降。

4 结语

实际使用中，拾音器采用标准三芯XLR接口。利用模式选择开关，进行频率高通或低通选择。通过上述设计和考虑，实际完成的拾音器声学效果十分理想。最终的拾音器成品，既适用于舞台、录音棚等高音质需求的环境，也适用于会场、多媒体教室、车载免提电话等嘈杂背景下的环境。

设计和处理好单个拾音器的效果，为后续其他拾音器设计和应用（如拾音器阵列等）打下良好基础。

模拟拾音器虽增加了降噪、抑制干扰等措施，但无法从根本上滤除噪声信号，而数字拾音器在处理手段方面更为灵活。显然与模拟拾音器相比，数字拾音器有较大优势，但数字拾音器成本更高。

[1]童诗白.模拟电子技术基础,第三版. 高等教育出版社

[2]王锦成.电磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究现状.化工新材料,2002 30（7）

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.054