传声器的种类与原理

传声器的种类与原理传声器的种类与原理一、传声器的作用和种类传声器俗称话筒，又称麦克风。它是一种将声音信号转换为相应的电信号的电声换能器件。传声器的分类方法很多，主要有以下儿个。①按换能原理分类，有电动式传声器（如动圈式传声器、铝带式传声器等）、电容式传声器（其中包括驻极体式传声器）、电磁式传声器、半导体式传声器和压电式传声器（晶体传声器、陶瓷传声器、压电高聚合物式传声器）。②按指向性图分类，有无指向传声器（又称全指向传声器）、双向传声器（又称8字形指向性传声器）和心形传卢器、超心形传声器、超指向传声器（它们又称为单向传声器）。③按使用场合分类，有普通传声器、立体声传声器、近讲传声器、佩戴式传声器、无线传声器和测量用传声器等。从换能原理方面来说，目前用得最多的是动圈式传声器和电容式传声器。动圈式传声器的特点是：结构简单，坚固耐用，工作稳定好，价格较低，频响特性较好等。电容式传声器则具有频响好、失真小、噪声低、灵敏度高和音色柔和等特点，但电容式传声器价贵，而且必须为它提供直流极化电源（如24V），给使用者带来不便。于是人们研制出了驻极体式电容传声器，它不需要外加直流极化电源，而且结构简单，体积小，价格低廉，近来，驻极体式传声器和压电高聚合物式传声器发展很快，且不断有新产品出现。各种类型的传声器尽管在结构上有所不同，但它们都有一个振动系统，该系统是声波作用而引起振动，产生出相应的电压、电容或电阻变化。如动圈式传声器就是属于电压变化一类（即音圈输出电压变化），而电容式传声器则属于电容变化一类，但它最终还是利用电容变化使最后的输出仍为电压变化。二、动圈式传声器的工作原理把导体置于磁场中，用声音激励振动系统使其振动，通过电磁感应作用，在导体上产生感应电动势。应用这种原理做成的传声器称为电动式传声器。在电动式传声器中，如果传声器中所用的导体为音圈结构，就构成了动圈式传声器：如果所用导体为金属箔（如铝带），就构成了带式（铝带式）传声器。日前广泛使用的电动式传声器，绝大多数为动圈式传声器。动圈式传声器的结构如图3-1所示，其工作原理是：当声波激励线圈时，粘接在振膜下面的音圈在磁隙的磁场中也作相应振动，从而切割磁力线而产生感应电动势。此时感应电动势输出为    E= Blv        (3-1)式中，B为磁隙中的磁通密度：l为音圈导线的总长度；v为音圈的振动速度。由于动圈式传声器的音圈匝数很少，它的输出电压和输出阻抗（约10Ω）都很低，为了提高它的灵敏度，并使其与后接的放大器（或调音台）输入阻抗相匹配，在动圈式传声器中装有输出变压器以提高输出电压和输出阻抗。输出变压器有自耦和互感两种，根据圈匝比的不同，其输出阻抗有高阻和低阻两种。输出阻抗在600Ω以下的，称为低阻传声器，有200Ω、600Ω等：高输出阻抗通常是20kΩ。为了适应阻抗变换的需要，有些传声器还设有输出阻抗变换装置，当改变传声器插座脚位或开关时，即可方便地改变其输出阻抗。三、电容式传声器的工作原理电容式传声器是一种依靠电容量变化而起换能作用的传声器，它主要由极头、前置放大器、极化电源等组成。电容式传声器的极头实际上是一只电容器(静态电容量通常只有50—200pF)，只不过电容器的两个电极中，一个是固定的，另一个是可动的。通常两个电极相隔很近（一般为20—50μm）。可动电极就是极薄的振膜（为25—30μm），一般采用金属化的塑料膜或金属膜。由于振膜非常薄，当声波到来时，振膜会产生相应的振动，从而改变电容器两极板之间的距离，因而使电容器容量发生变化。如果将这个电容的变化量取出来变成电信号，这个电信号就对应着声信号了。将电容变化量变成电信号的方法很多。若将该电容器作为振荡器的振荡回路电容，则该振荡器的振荡频率便会被声波所调制，目前的无线电容式传声器就是基于这一原理工作的。大多数的电容式传声器是采用所谓直流极化方法将电容变化量变成相应电信号的。直流极化的电容式传声器的电路结构如图3-2所示，其中直流极化电压E一般为40～200V，极化电阻R阻值一般为5～l000MΩ。其工作过程是：首先E经R向传声器电容器C充电，传声器电容器C两极板间充有电压E。当声波使C的容量发生变化时，C上的电荷来不及发生变化，在负载电阻R上便产生了一个对应电容量变化规律的交流电压输出，见图3-2 (b)。电容式传声器的输出阻抗很高，不能直接输出，否则加到后接放大器的信号电压非常小，而且极易受到外界干扰，因此，需在传声器壳内装一个前置放大器（又称预放大器），进行阻抗变换，将高阻变换成低阻输出，这样就可以用长电缆接到后接放大器了。电容式传声器具有灵敏度高、动态范围宽、频率响应宽而平坦、音质好以及瞬态响应优良等优点，是比较理想的传声器，但是它在使用中需要有一个直流供电电源，它一方面为预放大器供电，另一方面为极头振膜提供极化电压。所以，若电容式传声器与调音台相接，则必须打开调音台，卜的幻象(Phantom)供电开关，以便向电容式传声器供电。图3-3 (a)所示是包含预放大器的电容式传声器实用线路。电源(+48V)由幻象供电，经R1 (27kΩ)和极化电阻R(1500MΩ)加到传声器电容极板上。当传声器受到声波作用时，其感应的电信号经过Cl、R8加到场效应管栅极上。场效应管接成射极跟随器形式，起阻抗变换作用，变换成低阻输出，然后经变压器耦合输出。图中C2为正反馈电容，用以提高该放大器的输入阻抗。图3-3 (b)是场效应管与晶体管组合而成的预放大器的实用线路，它的特点是输出阻抗低，且有放大作用，其电压放大倍数为（本例R1=2.1kΩ，R2=l0kΩ）。电源使用12V，也用幻象供电方式。由丁-电源电压较低，为了提供高的极化电压，在传声器壳体内还设有一个DC/DC变换器，它通过晶体管VT2的自激振荡器，把较低的直流电源电压变为高频交流电压，再经自耦变压器T2的升压、二极管VD整流、l000pF电容和22μF电容的滤波变换为直流高压，作为极化电压加给传声器电容极板。由于极化电源几乎不输出电流，功率消耗非常小，所以这种直流变换器的体积可以做得很小。在电容式传声器中，还有一种称之为驻极体式传声器。所谓驻极体式传声器，是采用经过事先极化了的驻极体来代替极化电压的电容式传声器，因此它的结构及工作原理与上述电容式传声器相同，但省掉了极化电源。不过用作阻抗变换的预放大器仍需外部供电，故驻极体式传声器与调音台连接时，仍需打开幻象供电开关进行供电。驻极体式传声器的驻极工艺有热驻极、电晕极化驻极和电子轰击驻极等方法。驻极体式传声器的寿命很长，目前一般产品寿命为20～30年。四、幻象供电幻象供电是没有专用电源线，而是利用信号线同时作电源线的一种供电方式。具体来说，就是利用传声器输出电缆内的两根声频信号芯线作为直流供电的一根芯线，利用电缆的屏蔽线作为直流供电的另一根芯线来进行供电。现代调音台向电容传声器馈电时，都使用这种幻象供电方式，向电容式传声器提供前置放大器的电源和极化电源电压。幻象供电电路的基本方式如图3-4所示。从馈电侧看有两种基本馈电方式，如图3-4 (c)、(d)所示；从受电侧看也有两种基本受电方式，如图3-4 (a)、(b)所示。因此它们可有四种组合方式。    在图3-4 (c)、(d)所示的两种基本馈电方式中，图3-4 (c)要求两只电阻R1、R2阻值相等，误差应小于0.4%。这种电路的电阻值配对简单，电气中点设置方便，但由于它的并联值作为传声器信号输池的负载，故传声器的输出信号内阻应尽量小（小于250Ω）。图3-4 (d)的电阻R对信号无影响，但对变压器的中点要求商，要求对电和磁都呈严格中点。通常幻象供电电压为48V。此外，还可采用12V、24V。    总之，使用幻象供电的优点在于，信号输出线与电源线合用，使电容式传声器的多芯电缆可减少为二芯屏蔽线，而且，即使将它接到其他类型（如动圈式）传声器，由于幻象电源的接入与传声器的平衡输出无关，故在调音台使用动圈式传声器时，就不必注意幻象电源开关是否打开，不过为减小电源噪声，使用动圈传声器时不宜打开幻象电源。