椭圆形传声器膜片对录音音质的影响

曹 菊，孟子厚

（中国传媒大学传播声学研究所，北京 100024）

音响技术

椭圆形传声器膜片对录音音质的影响

曹 菊，孟子厚

（中国传媒大学传播声学研究所，北京 100024）

为一款大振膜录音传声器设计了一组椭圆形的振膜结构，并制作了相应的样件。通过对椭圆形振膜、传声器样件的客观指标以及主观音质听感三个方面的比对分析，探究了椭圆振膜的电容录音传声器与主观音质听感之间的关系。

传声器；椭圆振膜；客观参数；主观音质评价

目前的乐器录音传声器大部分是针对打击类乐器（如低音鼓、军鼓等）的录音传声器。从录音传声器的制作来看，大多只是根据不同乐器的频率范围、最大声压级修正传声器的频响曲线和调整其声压级范围，之后再选择合适的指向性等。然而，每一种乐器都有其自身的声学特性，仅仅通过调整录音传声器的某些客观物理指标，是难以完全满足不同的乐器录音的。在客观指标方面，大多相同尺寸的大振膜录音传声器的电声指标参数相差不大，但是其录制的声音质量的主观听感却存在较大差距[1]～[2]。虽然部分客观指标和主观音质听感可以通过后端电路以及效果设计得以实现，但要系统地探究这一问题，就有必要对传声器的内部结构进行细致分析，而在电容式传声器的内部结构中，振膜是传声器声电转换的关键部分。因此，在传声器的其余结构均保持不变的前提下，笔者通过改变传声器振动膜片分析其相应的有效振动区，探究有效振动区域为椭圆形时，传声器电声指标与主观音质听感之间的关系，为特定的乐器录音传声器的设计寻找实验依据。

1 振膜的设计

本次实验中选择的传声器膜片的形状是椭圆形，将椭圆的长短轴的比例按照音乐学中不同音程的协和比例进行设计。

椭圆形膜片是在常规圆形膜片的基础上制作完成，首先按照长短轴的比例关系制作相应的绷膜环，绷膜环的线切割误差应严格控制 0.05 mm以内，之后将厚度为6 μm的Mylar聚酯白膜贴在绷膜环上，再经蒸镀金工艺生产而成[3]。实际圆形振膜有效振动直径2a=2.794 cm，有效半径为1.397 cm。表1是实验用椭圆形振动膜片的参数，制作膜片的样件如图1所示，其中1号～13号为相应椭圆形振膜，14号为常规形状的传声器振膜。

表1 椭圆形振膜的参数

图1 椭圆形振膜片样件

图2 1号～6号、14号传声器频响曲线

2 电声指标测量

实验中，用于装配样件传声器的元件规格和尺寸必须严格一致。测试电声指标时，所有待测实验用传声器共用一个前置放大器。同时，将组装好的实验用传声器按照振膜序号进行相应编号（1号～13号，14号为相应的常规传声器），实验在消声室中进行，通过DAAS音频分析测试系统对实验传声器样件的频响曲线和灵敏度级进行测量。

实验传声器样件的频响曲线的测量结果如图2～图4所示。

图2是1号～6号传声器以及14号常规传声器的频响曲线图。从中可以看出，随着椭圆面积的变小，低频部分略有衰减。与14号相比，1号和2号的频响曲线与14号相近，几乎无差别，因为1号和2号的椭圆有效面积比较接近圆形。其余3号～6号传声器与14号传声器相比，中高频差异不大，但低频有所衰减。

图3是7号～11号以及常规14号传声器的频响曲线图。其中，7号～11号椭圆面积逐渐变小，可以看出，随着椭圆有效面积的变小，低频略有衰减。观察图3可以看出，与14号相比，7号～11号的低频都有严重衰减，这很有可能是因为椭圆面积的减小而导致低频衰减明显增加。中频段比较一致，高频段的峰值较14号均有所提升，但提升幅度较小。

图3 7号～11号、14号传声器频响曲线

图4 12号～14号传声器频响曲线

表2 传声器的灵敏度级与椭圆有效面积的对应关系

图4中可以看出，虽然在低频段12与13号衰减得比较厉害，但是在中频段几乎无差别，在高频段，12号的高峰峰值有明显增加。

另外，实验用传声器灵敏度级与椭圆有效面积间关系的测量结果如表2和图5所示。

由以上数据和图表可知，有效振动面积越大，传声器灵敏度总体相对越高，且传声器灵敏度随着振膜有效面积增加呈线性变化。

综上，结合频响曲线以及灵敏度与椭圆振膜有效面积之间的变化可以看出，椭圆形振膜结构中，振膜有效面积相近的传声器，其灵敏度级和频率响应都是相近的。

3 主观音质评价

虽然实验样件的一些客观参数表明，在椭圆有效面积相近的情况下，传声器的部分客观参数比较一致，但也不能说明它们对录音音质影响是一样的。所以，下面以琵琶录音为例，对实验样件进行主观音质评价实验[4]。

从琵琶的声音特点、曲目类型以及录音传声器对琵琶声音录制的影响三方面来考虑，最终选取清晰度、力度和柔和度作为评价琵琶传声器的3个指标；并选取具有代表性的评价曲目片段，分别是：柔和度——《琵琶语》片段、清晰度——《梁祝》片段、力度——《十面埋伏》片段。

对以上具有不同椭圆形状振膜的传声器进行主观音质评价，通过对偶比较法求得14支实验用传声器的主观音质听感的平均偏爱度[5]。图6～图8分别是14支传声器针对不同主观评价术语的偏爱度分布图。

从图6可以看出，椭圆形振膜方案中，12号、13号和1号传声器的力度表现最好，而7号、8号、4号和14号传声器的力度表现力较差。从图7可以看出，5号、12号和14号传声器清晰度的表现力最好，7号和8号传声器的力度感较差，其长短轴比例关系分别为小六度和大六度，而这两种音程关系在乐段中几乎不大出现。椭圆形振膜方案的1号、12号和13号传声器整体力度的表现力最好，而7号、8号和、9号和13号传声器的清晰度表现力较差。图8所示的柔和度评价结果可以得到，3号、13号和6号传声器的柔和度相对较差。

图5 灵敏度级与膜片有效面积的变化趋势

图6 力度的心理偏爱度

图7 清晰度的心理偏爱度

图8 柔和度的心理偏爱度

对传声器3项主观音质指标的评价结果进行平均，得到各样件传声器平均偏爱度的分布，如图9所示。可以看出，椭圆形振膜方案中，1号、5号和12号传声器的主观音质综合表现最好。从传声器的客观特性来看，1号椭圆振膜和14号常规振膜的频响曲线十分接近，1号的主观音质综合表现较好，而14号则相对较差。这一点也可以看出，仅仅依据传声器的客观参数（如频响曲线）并不能全面、真实地反映传声器的音质。

本次实验的主要目的是探讨传声器膜片设计方案对录音音质的影响，而相关文献中也对乐器录音中的声学问题及其录音传声器的选择等问题进行过相关的研究[6]～[7]。由于本次实验中各传声器椭圆形振膜的设计方案借鉴了音乐中音程协和性的概念，因此，将传声器的主观音质评价结果与琵琶音程的主观协和性之间的关联也进行了分析，如图10所示。其中，蓝色折线代表琵琶和声音程的主观协和性评价结果[8]，可以看出，大三度、纯四度、纯五度和纯八度的协和性更好，也就是这些琵琶音程的声音听起来相对更为悦耳。另外三条折线是各椭圆振膜传声器的力度、柔和度和清晰度的评价结果。从图10中可以发现，当传声器振膜的长短轴比例为纯四度音程频率比（4:3）时，其力度、清晰度、柔和度3个指标的主观听感结果都较好，也就是图9中平均偏爱度较好的5号传声器，且纯四度琵琶音程的主观协和性也较好，这一点正好体现了传声器的综合音质评价与其录制乐器声的协和性之间的某种吻合。根据以上分析可以推测，琵琶录音综合音质最佳的椭圆形振膜传声器的长短轴比例可能为纯四度音程频率比关系。

图9 平均心理偏爱度

图10 琵琶的音程协和性与椭圆传声器音质评价的对比

另外，表现力度感的《十面埋伏》乐段中，主要音程为纯四度和纯五度，并且12号与13号传声器的力度感也是最好的，与该乐段中主要音程关系较一致。表现清晰度的《梁祝》乐段中，主要音程为纯八度、纯四度和纯五度，且14号、12号和5号传声器的清晰度最好，也体现了这种一致性。《琵琶语》中，主要音程为纯四度、纯五度和小二度，同时还有大二度、大六度等其他音程，而传声器的膜片比例与乐段音程的一致性并非与柔和度评价结果明显相关，一致性最好或最差都会降低其柔和感，如13号传声器和3号传声器。

4 小结

通过实验用传声器的电声参数和主观音质评价实验的对比分析可知，传声器的灵敏度受振膜有效振动区域面积的影响较大，椭圆振膜结构中椭圆有效面积相近的传声器，其灵敏度级和频率响应均无较大差别。随着椭圆面积逐渐变小，频响曲线的低频有所衰减，中频段比较一致，高频段的峰值较常规的均有所提升，但提升幅度较小。

在所有参与实验的传声器样件中，按小二度、纯四度、黄金分割比例设计的椭圆形振膜，其录制的琵琶乐段的综合音质相对更好，并且与琵琶音程的纯四度协和性较好这一点相一致。另外，录制的三段琵琶乐段中，纯四度、纯五度和八度音程等协和音程较能表现琵琶声音的力度感和清晰感；而小二度、大二度、大六度等较不协和音程则可以增加旋律的柔和感。当椭圆振膜的长短轴比例与琵琶乐段中的音程一致性较高时，录制琵琶乐音的力度感和清晰度均较好；而对于柔和感的评价，则这种一致性似乎在某一平衡范围才能达到最佳。

[1] 华子兴. 传声器的现状和发展分析[J]. 电声技术，2007（1）.

[2] 郑之风，孟子厚. 几款国产专业传声器的音质评价与分析[J]. 演艺科技, 2010（10）.

[3] 刘建丹. 电容式录音传声器振膜蒸镀区域对音质的影响[D]. 北京：中国传媒大学，2014.

[4] 孟子厚. 音质主观评价的实验心理学方法[M]. 北京：国防工业出版社， 2008.

[5] 刘建丹，郑雯雯. 监听音箱听音覆盖角度的测听[J].音响技术，2013.

[6] 张婧颖，杨倩，孟子厚. 二胡录音的声学问题[A]. 中国声学学会第九届青年学术会议论文集，2011-11.

[7] 杨倩，张婧颖，孟子厚. 二胡录音的传声器选择[A]. 2011年声频工程学术交流年会论文集. 2011-9.

[8] 王鑫. 民乐交响性问题中弹拨乐器声音协和性研究[D]. 北京：中国传媒大学，2011.

（编辑 薛云霞）

The Inf l uence of Elliptical Microphone Diaphragm on Sound Quality

CAO Ju, MENG Zi-hou
(Communication Acoustics Laboratory, Communication University of China, Beijing 100024, China)

In this paper, the author designs a elliptic diaphragm of the large diaphragm recording condenser microphone, then make some sample. Through the comparison and analysis of the elliptic diaphragm, objective index of microphone and evaluation of subjective sound quality, the relationship between elliptical diaphragm of recording condenser microphone and evaluation of subjective sound quality was explored.

microphone; elliptical diaphragm; objective parameter; evaluation of subjective sound quality

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.009