电声技术概述

柯昀洁

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

电声学是对声音信号进行加工、处理的学科，自电子管发明后逐步得到发展。通过电声技术，人们可以长期保留声音，使声音更动听或实现远距离传输。按照声音信号的频率划分，电声学可以分为超声、可闻声和次声电声学[1]，其中人耳可识别的可闻声电声学由于独特的特点与广泛的应用，成为一个备受关注的分支。

可闻声电声技术研究与人耳听觉紧密相关的可闻声，实现传送、记录声音的同时，还涉及高保真、立体声等艺术相关领域[2]，是与日常生活息息相关的一项技术。研究探讨可闻声技术，从声波、听觉角度入手，分析可闻声声波特性，着重介绍常用电声器件，并结合时代前端的电声技术——立体声，阐述电声技术的实际应用。

1 声波及听觉特性

1.1 声波

声波是由于机械振动或气流扰动引起声音周围的弹性媒介发生波动形成，用三个与声场中位置、时间有关的函数描述：媒质密度ρ、媒质质点振动速度v、声压P[3-4]。由于空气质点的振动幅度很小并且“绝热”，因此当选择的坐标系与声波传播方向一致时，空气密度、空气质点振速与声压符合一维线性关系：

声波运动方程：

(1)

声波状态方程：

(2)

(3)

其中，ρ0为空气静态密度(假设空气为均匀媒质)；C0为空气中声速；r为声波传播方向上的距离；S是声波波振面面积；t为时间。

推导可得声波“波动方程”[5]：

(4)

工程应用中，距声源距离较远的声波等效为平面波。此时，波阵面面积不随距离变化，声压、空气质点振速与r无关，解波动方程得波阻率ZS。

(5)

由式(5)可得，平面波任意处波阻抗率为常数，数值与空气特性有关与声源无关；波阻率有阻无抗，即声压与质点振速相位相同。

自由空间中点声源的声波等效为球面波。波阵面是以声源为中心的球面[6]，代入波动方程求解即波阻抗率。

(6)

由式(6)可得，球面波中任一点的声压与质点振速v、距离r、声源频率f有关。当距离较远、频率较高时，如kr>10，虚数部分忽略，此时相当于平面波，故球面波的远场区可近似等效平面波。

1.2 听觉特性

声音是振动波，本质上是空气分子振动引发耳朵鼓膜振动，从而听到声音。声音大小即振动强度，采用声强、声压描述。由于声强、声压变化范围很大，取指数后与人耳的感观相符，故将声压与声强取对数，称为声压级(SPL)与声强级(SIL)，定义如下：

(7)

(8)

其中，Pref、Iref为标准声压、声强参考值。

声音的频率表现为音调的高低，其相对关系也呈对数关系，故频率坐标也采用对数刻度。声音的声压会影响人耳的听觉频响，声压级不同听觉频响不同。声压级较高时，听觉频响接近理想状态为平直线；声压级较低时，频响变坏，低频尤为显著。

此外，人耳具有延时效应，即人耳仅能在一定范围内区分延时滞后声音。当声音滞后小于等于17 ms时，滞后效果不被发觉；当声音滞后35～50 ms时，滞后效果可以被感觉到，但无法分开；当滞后50 ms以上时才会像回声一样产生干扰。

2 电声器件

电声器件是能够进行电和声转换的器件，通过压电效应、电磁感应或静电感应等实现[7]。以扬声器和传声器为例，介绍电声转换器件和声电转换器件。

2.1 扬声器

扬声器即喇叭，可将电能转换为声音。电信号施加于扬声器上，通过电能机械能换能使纸盆或膜片发生机械振动，从而带动空气共振发出声音。按照换能机理和结构分类，可以分为动圈式、电容式、压电式、电磁式、电离子式扬声器等。扬声器工作原理如图1所示。

图1 扬声器工作原理

2.1.1 电动式扬声器

电动式扬声器应用广泛，主要有纸盆式、号筒式、球顶形三种[8]，其原理相同，但振动膜种类、外形结构不同，因此在声音的处理上各有优势。

纸盆式扬声器结构如图2所示，包含振动系统、磁路系统与辅助系统三部分[9]。当音频电流通过位于磁场内的音圈时，产生安培力使音圈轴向运动。若输入的音频电流为交变电流，安培力变为交变力使音圈出现交变运动，纸盆重复振动并推动空气发声。该类扬声器构造简单且价格便宜，音效上低音饱满，中频频率响应均匀，但电声转换效率较低。

图2 纸盆式扬声器结构

号筒式扬声器主要有振动系统和号筒两个模块，振膜是一个球顶形膜片。振膜振动经过号筒的两次反射，声音强度增强且集中向一个方向传播，因此号筒扬声器功率大、方向性强，常用于室外扩音；但其低频响应较差且频带较窄，极易产生非线性失真。号筒式扬声器结构如图3所示。

图3 号筒式扬声器结构

球顶形扬声器因振膜为半球形而得名。该类扬声器高频段响应优异，拥有较宽的指向性，同时有较好的瞬态特性且产生失真小，非常适合用作家庭影院系列的音箱设备。

2.1.2 其他扬声器

压电式扬声器借助材料的压电效应实现。振动单元为两片大小不一的金属电极，中间为薄层压电材料，两电极通过音频信号产生电场，使压电材料形变振动，从而发出声音。

静电式扬声器通过外加在极板上的静电力实现电声转换，由固定极板和振动膜构成。静电高压电路产生直流高压加于固定极板，音频经升压加于振膜，静电对振膜产生吸引或排斥，使振膜震动发出声音。由于振膜质量较轻，故该扬声器可捕捉声音信号的细微变化，解析能力强，但工作需要极化电压，面积较大，且不适合低频扬声。因此多用于中高频场合搭配电动式扬声器使用，难以进入便携式系统。

2.1.3 扬声器参数

扬声器主要衡量参数如下：

1)额定功率：标称功率或不失真功率。额定不失真时扬声器可允许的最大输入功率，常标于商标或说明书。

2)额定阻抗：扬声器的阻抗与频率有关。额定阻抗是音频400 Hz时由输入端测量出的阻抗，通常值为1.2～1.5倍的音圈直流电阻[10]。动圈式扬声器阻抗有4 Ω、8 Ω等。

3)频率响应：声压与频率的关系特性，指声压下降为固定声压时对应的高音、低音频率范围。理想的扬声器频率特性应为20 Hz～20 kHz。

4)失真：扬声器无法逼真重放原来声音的现象，包含频率失真和非线性失真。

5)指向特性：即声压的分布特性,描述空间内不同方向上扬声器所辐射的声压分布，与频率高低、纸盆大小有关，频率高、纸盆小时指向性弱。

2.2 传声器

传声器俗称麦克风，是将声能转换为电能的设备，即声波在电声原件上作用产生电压。常见的是动圈话筒和电容话筒。传声器工作原理如图4所示。

图4 传声器工作原理

2.2.1 动圈话筒

动圈话筒主要由升压变压器、永磁铁、音圈、振膜及保护罩等构成，如图5所示。当声波输入，膜片随声音前后振动，使磁场中的音圈发生切割磁感线运动，从而在音圈中产生感应电流，音圈两端出现感应电动势，完成声-电转换。常见的动圈话筒如手持话筒，它的稳定性高，指向性良好，工作时不需配备直流电压，坚固耐用且价格低廉。

图5 动圈话筒结构、外观

2.2.2 电容话筒

图6 驻极体电容话筒结构及内部电路

由于话筒输出信号较弱，通常后接“预放大电路”进行阻抗变换和放大，实现最大传输增益。采用场效应管FET实现放大，电容的两极分别接场效应管的漏极D和栅极G，电容两端产生电压即栅漏极间电压变化，使漏极电流改变，从而在RL上产生ΔVD，影响输出电压。

目前，驻极体传声器多应用于录音机、无线话筒等小型声音电路中，它的微小体积、良好性能，都有利于电子产品的小型化与便携性，同时价格上的优势也使其成为最常用的一类电容话筒[11]。但为了实现负载匹配，电容话筒通常外加场效应管充当阻抗转换器，因此驻极体电容话筒需要配置直流工作电压。

2.2.3 传声器参数

传声器主要衡量指标如下：

1)灵敏度：包含声压灵敏度和声场灵敏度。声压灵敏度是指真正作用在振膜的声压；声场灵敏度是指无传声器的声场声压。

2)频率响应：描述输出信号随频率的变化，用灵敏度(dB)表示。理想频响曲线表现为水平线，说明此时传声器的输出真实还原了输入声的特性。一般电容传声器频响曲线比动圈式平坦[12]。

3)阻抗：表征传声器电阻特性，用于匹配负载阻抗，使输出功率最大化。一般而言，低于600 Ω为低阻抗；600～10 000 Ω为中阻抗；高于10 000Ω为高阻抗。

4)等效噪声：用来描述传声器自身的噪声电压。

5)信号噪声比：输出信号与内部噪声信号的电压对数比即为信噪比。优质电容传声器S/N为55～57 dB。

6)指向性：描述传声器对各角度声源的灵敏程度，通常用极坐标图(polar pattern)表示。

3 立体声技术

立体声技术是恢复原发声空间感，使声音呈现左右空间感的技术。由于各声源从不同方位发声，极大地减弱了声源间的掩蔽效应，同时由于声部平衡改进，使得背景噪声的影响降低，声音清晰度提高。这一技术自19世纪初受到广泛关注，早期有二路立体声、四路立体声、波前制立体声等。

以二路立体声为例，此时声源方向仅为水平方向，常用双声源YL、YR实现。假设YL、YR扬声器特性相同且无失真，人耳恰位于两扬声器分割中线上。此时，人耳不能辨别两个声源，产生声源幻象即声象。若向扬声器同相输入内容相同但强度差异的声音信号，声象的方位符合“二路立体声正弦定律”：

(9)

式中，θI为声象的方位角；K为信号频率的修正系数：f<700 Hz时，K≈1；f≥700 Hz时；K≈1.4；UL为左边扬声器所加信号电压幅度；UR为右边扬声器所加信号电压幅度；θr为扬声器对听者的方位角。

由式(9)可得，声象将出现在两扬声器之间，改变两扬声器信号电压的比例，声象将在两扬声器之间有规律地移动。借助此规律，产生和导演两个声道的信号强度比例，可以使声象出现在预期的方向上，形成不同的拾声方法。目前，拾声方法和声象导演方法主要有X-Y制拾声法、M-S制拾声法、A-B制拾声法以及模拟人头制拾声法。

X-Y制拾声法是使用“正交重合”、“8字”指向性的“传声器对”。重合是指两传声器的声波接收器水平方向重合，即两传声器的接收器分布在垂直地面的方向上方和下方；正交是指两个“8字”指向性传声器的主轴方向相互垂直[13]。此时，传声器主轴方向将包括整个拾声范围，因其输出的信号分别送入两个声道，因此称为X-Y制拾声方法。

模拟人头制拾声是在两传声器间加入模拟人头，模拟人头两耳部位分别放置两传声器。高频时，模拟人头会对声波产生衍射，使两传声器信号差异变大，造成双扬声器系统中高频声象混乱，但双声道耳机中效果良好。因此，模拟人头拾声多配合耳机使用，而扬声器中需将信号进行处理方可使用。

4 结 论

电声技术作为一门古老又年轻的学科，融合多学科内容，显得复杂晦涩，然而在日常生活中，这门技术又随处可见，因此对于它的研究一直未曾中断。特别是现今，人们对声音已不满足于听到，正逐步上升为听觉盛宴，因此对于电声技术的研究就显得更加迫切。从电声技术定义、声音特性、电声器件以及立体声技术4个方面入手，分析讨论电声技术相关内容。阐明可闻声电声技术的概念，并从声波特性、人耳听觉特性着手，剖析了声波的传播方式以及评价参数，结合分析得到的理论观点与实际生活，介绍两种常见电声器件——扬声器与传声器的工作原理与性能参数，用理论解释实际，从实际中寻找理论应用，最后介绍了最新的电声技术即立体声技术，从立体声模型、拾声方式等方面深入探讨了立体声技术的实现手段。

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