通过了解设计原理选择合适的传声器（一）

布鲁斯·巴特利特

【摘 要】 探讨各种类型话筒的优点和缺点，并将这些优、缺點与各种类型的应用场景关联起来，通过了解这些方面的知识 帮助大家正确地选择传声器。

【关键词】 传声器；设计原理；优、缺点；应用场合

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.003

【Abstract】The author discusses the advantages and disadvantages of various types of microphones， and combines these advantages and disadvantages with various types of application scenarios. By understanding these knowledge， we can help you select the microphone correctly.

【Key Words】microphone； design principle； advantages and disadvantages； application occasions

对于某个特定应用来说，什么类型的传声器最合适？我们应该选择电容传声器还是动圈传声器，是选择全指向还是心形指向传声器，选择频响曲线平坦的还是拥有特定频响特性的？笔者将会探讨各种类型话筒的优点和缺点，并将这些优、缺点与各种类型的应用场合关联起来，通过了解这些方面的知识能够帮助大家正确地选择传声器。

理想状态下，应该会有一支适用于所有应用场合的通用传声器。但实际上并没有这么一种传声器，因为每一个应用场合都有不同的使用需求。理想当中的功率放大器或扬声器拥有线性传输特性，与之不同的是，传声器的频响特性通常是专门为了某些特定类型的应用进行优化的。

例如，一个古典音乐录音工程师为了精确地复制音色，需要的是一支频响特性平坦的传声器。但是，一个流行音乐制作人可能想要的是通过一支高频部分被提升的传声器来获取较高的响度。

对于古典音乐录音工程师来说，41 Hz的信号是音乐；而对于语音广播工程师来说，这个频段的声音是噪声。因此，用于古典音乐录音的传声器拥有良好的低频响应特性，而用于语言信号拾取的传声器则在低频段采用了滚降设计。

与之相近的是，舞台上的歌手通常喜欢使用可以提升低频（近讲效应）的传声器，使声音听起来更温暖、更有力度。而具有同样特性的传声器在录音室使用又未经均衡处理的话，则会使乐器的声音听起来浑浊。

此外，根据不同的应用需求还存在着多种不同类型的传声器指向特性设计。全指向传声器——拾取所有方向上的声音，适用于拾取演奏厅的混响声。相对于全指向传声器来说，单一指向传声器拾取的混响声和声泄露较少，适用于当外部噪声对声音拾取质量造成影响的场合，譬如现场录音。

这些设计上的变化使得传声器布局的设计和使用都变得非常有趣。

1 传声器的特性

我们刚刚谈到的是对不同频响特性和指向特性的传声器的需求。但是，所有传声器都需要具备以下共性：

（1）低本底噪声；

（2）高动态（能够在不失真的前提下承受高声压）；

（3）较好抗射频干扰能力；

（4）较低的机械噪声（手持时的摩擦）；

（5）较低的风噪和pop噪声（爆发性的呼吸声）；

（6）最小化偏轴声染色（在轴向和偏轴方向的频响特性保持一致）；

（7）高灵敏度。

这些特性对于获取清晰的声音来说是必要条件：无噪声、无失真、在偏轴方向无声染色。还有一些其他特性需求，例如体积小（某些时候）、强指向性（某些时候）、坚固耐用、低成本。

然而，我们不可能把所有上述需求集中在一支传声器内，因为这些特性需求之间存在冲突。譬如，如果使用较大的隔栅网罩来消除pop噪声的话，那么传声器的整体尺寸就会变得太大；如果通过加入内置衰减电路来提高动态余量的话，那么信噪比会被降低。

总之，每一个设计上的决定都是出于折衷考虑。在某一个方面的特性获得提升意味着在另一个方面的特性受到限制。

笔者撰写此文的目的是描述这些设计上的折衷，使传声器用户能够更好地理解哪些特性在给定使用场景当中更为重要。通过了解设计上的折衷，能够更明智地选择适当的传声器。

2 传声器设计上的折衷

2.1 传声器类型概览

首先，我们来了解一下不同类型的传声器如何将声音转换为电信号。应用于专业领域的传声器依据它们的工作原理可分为两种类型：动圈或电容传声器。在动圈传声器当中，通过一个可移动的导体切割磁力线来产生电信号。动圈传声器又分为动线圈传声器和带式传声器两种。

动线圈传声器（通常被称为动圈传声器）如图1所示。一个与振膜连接的线圈悬挂在磁场内。当声波使振膜振动时，线圈也会在磁场内振动从而产生与输入声波相近的电信号。

带式传声器如图2所示，一块非常薄的金属箔片或带状金属片悬挂在磁场当中。声波使悬挂在磁场内的金属片产生振动，并由此产生电信号。

电容传声器如图3所示，一块可以导电的振膜和一块金属板（背面电极）分别与电容的两极相连。声波使振膜振动的时候改变了振膜与金属背板之间的体积，这种变化改变了电容量并由此产生与输入声波相近似的电信号。振膜与金属背板可以通过外接设备或通过内嵌于振膜或金属背板的永极体供电。

2.2 如何在电容、带式和动圈传声器之间选择

物理结构的差异使这三种类型传声器形成了不同的性能特性。

如果有以下使用需求时，较好的选择是电容传声器：endprint

（1）极佳的瞬态响应（例如，用于打击乐器、大镲、原声乐器和大編制合奏的声音拾取等）；

（2）扩展的高频响应（用于频谱带宽延伸至高频频段的声源拾取）；

（3）高灵敏度（用于对原生音量较小的声源进行远距离拾取）；

（4）工作频段较宽，频响曲线平滑（适用于大多数要求真实重现声源自然音质的工作室）；

（5）较小的体积（领夹式传声器或界面传声器）。

如果有以下使用需求时，较好的选择是动圈传声器：

（1）较慢的瞬态响应（对过多细节实现衰减，例如对木管乐器或铜管乐器近距离拾音）；

（2）较低的价格（通常来说，动圈传声器价格低于电容传声器）；

（3）坚固耐用；

（4）承受高声压的能力（例如，用于电吉他音箱或鼓组的拾音）；

（5）低本底噪声；

（6）受温度和湿度的影响较小；

（7）更高的可靠性（不需要供电）。

如果有以下使用需求时，较好的选择是带式传声器：温暖、平滑的声音（例如，在对铜管乐器近距离拾音时可以使声音听起来没那么“尖锐”）

需要注意的是，上述不同类型传声器的性能属性是总体趋势。譬如，有一些动圈传声器同样具备平滑的频响特性或高灵敏度特性，有些电容传声器则具备较好的动态余量并且坚固耐用。上面描述的传声器选择是基于各类型传声器的共性提出的。

2.3 不同类型换能器的频响特性

在图4～图7中，最左侧一栏显示的分别是四种换能器与频率相对应的振膜速率（实线）或与频率对应的振膜位移（虚线）。中间一栏显示的分别是压力阶差（在振膜前端和后端的声波压力差）与振膜振动的关系。对于全指向传声器来说，振膜的后端是密封的外壳，因此，压差与频率之间的关系是恒定的。对于单指向或双指向（压力阶差）传声器来说，振膜的后端会受到声波的影响，并且与到达振膜前端的声波之间存在时间差，因此，压差随着频率的提高而增加。右侧一栏显示的是振膜速率和压力阶差相加之后的结果（动圈传声器）或振膜位移与压力阶差相加之后的结果（电容传声器）。相加之后的结果就是传声器的振幅/频率响应特性。

图4所示为全指向动圈（全指向动线圈）换能器。这个类型的换能器对中频共振存在阻尼，因此，振膜速率与频率变化之间的关系保持了相对恒定。输出电压与振膜速率整成比。振膜正反两端的压力阶差与频率变化之间也处于恒定状态，这是因为振膜的后端位于密封空间内。因此，这一类型的传声器在大部分音频信号频率范围内都能够保持平坦的响应特性。

图5所示为全指向电容换能器。这个类型的换能器对高频部分的共振存在阻尼。振膜的速率每倍频程提升6 dB，因此，振膜位移幅度与频率变化之间的关系保持恒定，输出电压与振膜位移幅度成正比。压力阶差与频率变化之间的关系保持恒定，因此，在大部分音频信号频率范围内保持平坦的频率响应特性。

图6所示为单一指向的动圈换能器。这一类型的换能器对于低频共振存在阻尼，其振膜速率在大部分频率范围内都保持了每倍频程下降6 dB的趋势。输出电压与振膜速率成正比。但是，由于压力阶差在中高频段出现每倍频程提升6 dB的现象。因此，在大部分音频信号频率范围内仍然保持了平坦的频率响应特性。

图7所示为单一指向电容换能器。这一类型的换能器对于中频共振存在阻尼，其振膜速率与频率变化之间的关系保持恒定，振膜位移则在大部分频率范围内保持每倍频程下降6 dB的趋势，输出电压与振膜位移成正比。但由于压力阶差在大部分频率范围都保持每倍频程提升6 dB的趋势，因此，仍然能够获得平坦的频率响应特性。

3 各类传声器优点和缺点

以下从几个方面来对传声器的性能进行检测，分析不同类型的传声器在每个受测方面的优点和缺点。

3.1 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，其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，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，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。

3.2 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，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赫姆霍兹（Helmholz）谐振器实现扩展。该谐振器是拥有一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。该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。endprint

3.3 灵敏度

△C指由于振膜移动使电容的两极距离减少或增加而产生的电容变化量。

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，阻碍振膜的振动。

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。然而，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地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。

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，带式传声器只有一个低阻抗导体（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。

3.4 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體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1 cm2的电容传声器也能够提供足够的输出电压。

3.5 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振动。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。

3.6 本底噪声

例如，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。

3.7 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 V～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其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，可靠性更高。

3.8 耐用性

一支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。

（未完待续）

（编辑 薛云霞）endprint