整理第六章传声器自动混音器.docx
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整理第六章传声器自动混音器
第六章传声器
传声器俗称话筒，它是一种把声音转换为电信号的换能装置。
广泛用于各类扩声系统、录音棚、演播室和多媒体系统中。
是各类扩声系统中必不可少的“声源”器件。
本章将对它的换能原理、指向特性、技术参数、高频集束效应和传声器之间的干扰，最后还讨论了电容传声器的远距幻象供电和传输电缆的损耗以及传声器使用中的一些问题。
6.1换能器的基本原理
现今使用最多的传声器是电容传声器和动圈传声器两种基本类型。
6.1.1电容传声器：
图6-1是电容传声器的原理性结构。
电容器由两块间隔的金属板组成。
在两块金属电极板之间施加一个电势E，电容器将充以电荷Q，储存在电容器中，
E=Q/C（6-1）
式中：
Q是充的电量，单位库伦；C是电容量，单位法拉。
图6-1电容传声器原理
（a）电容器充电（b）极板距离变化改变极板间电位（c）具有一个振膜和一个固定后极板的电容传声器
（d）传统的电容传声器（e）驻极体电容传声器
如果我们保持电量恒定，变更电极板的间距,如图（B）所示，电势将与电容的改变成反比。
如果把一个极板固定，另一块极板可变，像一块振膜那样，随着声压的变化改变距离，那么就可组成如图（C）所示的传声器。
传声器输出的功率极其微小，因此通常都在电容传声器的内部就进行放大，如图（D）所示。
习惯上都用一个极化电源或偏压电源来保持电容器充电。
图（E）是一种驻极体电容传声器的原理。
通过加到后极板上的一种特殊材料的作用，使这个电容器永久保持充电电荷，这种传声器只要求不大于6～8伏的电压就可工作；而一般的电容传声器要求具有48伏的极化电压。
6.1.2动圈传声器：
动圈传声器的音圈粘牢在振膜上，同时又处在磁场中。
根据磁感应原理，振膜运动时，将会在音圈两端产生一个电位差输出：
E=Blv（6-2）
式中：
E是输出电位差，单位为V；B是磁路中的磁场密度，单位为泰斯拉；l是音圈的长度，单位为m；v是音圈运动的速度，单位为m/s。
图6-2（A）是动圈传声器的运动原理。
图（B）是带状传声器的类似结构。
图6-2动圈传声器原理
（a）动圈传声器结构（b）带状传声器的剖面图
曾有一段时间，认为电容传声器的频带宽度和质量优于动圈传声器。
但是近几年来，质量的差距已有明显缩小。
动圈传声器的结构强度普遍好于电容传声器。
这个特点使动圈传声器能适应较差的环境中应用。
然而，电容传声器能保持十分小的体积，适应各类个人使用。
6.2基本指向特性和频率响应特性
有两种基本的指向特性：
全向特性和双向特性。
两种指向特性的输出可组成“心形”或“单向”特性图。
1、全向指向特性：
如果振膜只有一面对着声场，那么它的指向特性基本上是全向的，如图6-3（A）所示。
如今已有直径为20mm或更小的振膜。
极座标图如（B）所示。
图6-3全向传声器
（a）一个小振膜响应各方向的声音（b）全向指向特性
2、双向指向特性：
带状传声器是双向指向特性传声器的最好构造。
图6-4（A）中波纹带的两面是开放在声场中的。
显然，从900或2700方向传来的声波，由于波纹带两边的声压互相抵消，因此传声器是没有输出的。
极座标特性如（B）所示，它像一个“8字”形状。
图6-4双指向特性
（a）带状传声器的顶视图（b）双指向特性
3、心形指向特性：
全向和双向两个极座标指向图加在一起可获得图6-5（A）所示的心形指向特性图。
大多数可变指向图的传声器是把两个单元结合在一起工作得到的。
广泛用于扩声系统的固定心形指向特性传声器则为单振膜的，它们的工作原理如图6-5（B）和（C）所示。
在这种设计中，振膜的背面是开放在声场中的，但是后面来的声音途经一个声音延迟后到达传声器振膜的背面，这个声音延迟时间等于声音从传声器的背面绕过传声器到达传声器前面振膜所需的时间。
从传声器后面来的声音经由两种途径到达振膜的两面而互相抵消，因此传声器没有输出。
从传声器前面到达的声音，当然也会有一些抵消，但是有一个声压会驱动振膜。
图6-5（D）是这种心形传声器在00、900和1800方位的频率响应输出。
图6-5单向及心形指向传声器
（a）全向+双向指向特性=单指向特性（b）单振膜心形传声器1800到达的声音
（c）单振膜传声器00到达的声音（d）良好心形传声器的典型频响特性
一阶心形指向特性小结：
图6-6是在单振膜心形传声器中通过各种延迟途径获得的超级心形和超心形指向特性。
超级心形指向特性表现出最大的轴向拾取与总的随机响应比。
超心形指向特性表现出最大的前半球与总的随机响应比。
至此我们讨论的指向特性都是一阶设计的，这个命名是因为他们来源于简单的全向和8字形的指向特性图，更高阶的传声器指向特性，包括平方余弦指向特性，它们的极性方程式比一阶更高，如图6-6所示。
这些高阶指向特性的设计十分困难，它们的理想特性只能覆盖一小段频率范围。
图6-6超级心形和超心形指向特性
（a）超级心形指向图（b）超心形指向图
图6-7概括了一阶指向特性各特性图。
普通心形指向传声器用在不要求拾取00～1800宽范围的声源场合。
超级心形指向特性传声器在高混响环境中特别有用，因为它对随机反射声有最高的识别能力。
超心形指向传声器在拾取广角声源时很有用，因为它可抑制后半球面的混响声。
图6-7一阶心形的指向特性和它们的参数
4、随机能量效率和距离因子
图6-7中的随机能量效率（REE）是指轴向拾音对总的随机拾音之比的一种测量。
类似于扬声器的指向性因子，或如果用分贝表示为DI。
距离因子是说明指向性传声器与全向传声器相比较增加的最大工作距离，如图6-8所示。
图6-8传声器的距离因子
5、接近效应对低频特性的影响
指向性传声器用在近距离工作时，它们的低频响应会有提升。
这是由于振膜前后之间声压差的一种复杂的相互作用，接近平方反比关系的感应。
图6-9（A）是在固定工作距离（60cm）时的一种心形指向传声器理论曲线的角度函数。
图（B）表明典型传声器在靠近声源时的响应特性。
图6-9心形传声器的接近效应对低频特性的影响
（a）单向传声器在60cm处接近效应的角度计算图（b）典型传声器的接近效果
为此，在传声器设计中采用了远距离声源的下降低频特性，在0.6m（2英尺）距离的频响只稍微下降一点（在100HZ下降-5dB），表明这个传声器如果在那样的距离使用，作语言扩声时有很平坦的频响特性。
全向传声器没有这种接近效应。
6、高频集束效应对高频特性的影响
由于传声器振膜尺寸的限制，所有传声器的指向特性在高频时都会变成更加趋向于传声器的轴线方向，使它的指向特性成为波长和振膜直径的函数，如图6-10所示。
振膜直径与工作频率的波长
相比越大时，它的指向特性越尖锐。
图6-10圆形振膜与工作波λ之比对指向特性的影响
图6-11是传声器高频集束效应对频率响应特性的影响。
如果传声器轴向投射时具有平坦的频率响应特性，那么在随机投射角的频响特性高频段将会是下降的。
相反，如果希望有一个平坦的随机投射角频响特性，那么它的轴向频率响应特性在高频段将是提升的。
扩声系统中应用的传声器，一般都是使用平坦的轴向频响特性的传声器。
图6-11传声器高频集束效应对高频特性的影响
6.3几种特殊的传声器类型：
1、噪声抵消传声器
在非常嘈杂的环境，如飞机驾驶舱、工厂以及其他类似的地方，一般的传声器已无法正常工作，图6-12是一种典型的噪声抵消传声器。
大多是采用抵消靠近讲话筒的低频随机噪声，用一对反向连接的全向传声器可提供适当程度的噪声抵消作用。
图6-12噪声抵消传声器
（a）传声器接近声源和远离声源（b）一种典型的噪声抵消器（美国SHURE）
（c）两个全向传声器反向连接产生的噪声抵消效果（d）一对反向连接传声器的频响特性
2、远距离拾音传声器
远距离传声器即通常所说的“短枪”传声器。
用于确定距离的拾音。
一个较长的现场传声器，200HZ以上的REE（随机能量效率）为0.1，相对于全向传声器的等效距离为3.2。
如图6-13所示。
利用这种大距离因子，在电视广播中可瞄准摄像范围以外的远距离目标。
也可用于记者室外采访。
图6-13“短枪”传声器
（a）00到达的声音衰减小于偏轴方向来的声音（b）EV-CL425传声器
3、平嘴传声器
用于乐队指挥台或教堂神台。
平嘴传声器有极好的频率响应特性，它们不引人注目，在剧场中，可放置在脚灯旁边等优点，可以对语言和音乐拾音。
图6-14平嘴传声器（CROWN）
4、无线传声器
利用无线发射和接收的各类无线传声器，使用户获得了不受连接电缆牵制的限制。
在舞台演出和各种娱乐活动中获得了广泛的应用。
无线传声器的高频传输频率为两个频段：
一种为VHF（Veryhighfreguency）甚高频波段，频率范围为160MHZ～250MHZ。
另一种为UHF（Ultrahighfreguency）超高频波段，频率范围为730MHZ～950MHZ。
VHF频段的频率较低，制造成本便宜。
图6-15无线传声器和它的调制器/解调器
不管那个频段的无线传输，都会受到电波传播衰减变化的影响，经常会发生信号瞬间中断而导致声音的不连续性。
优质无线传声器现在都已采用双天线接收的分集接收技术，可有效的解决此问题。
如果要同时使用多个无线传声器，当传输频率选择不当时，各传声器会产生信号干扰。
为此每种型号的无线传声器都设有优选频率配置表和同时使用的最高数量限制。
图6-16是可同时监视和控制32台无线传声器接收机的网络接口系统（SHUREUA888）。
图6-16利用计算机屏幕监控32台无线传声器同时工作的网络（SHUREUA888）
无线传声器发射机有手持式、领夹式、头载式和乐器类等多种类型。
表6-1是SHURE无线传声器收、发系统的技术特性表。
表6-2是Audio-technica（铁三角）无线传声器收、发系统的技术特性表。
6.4传声器技术参数
1、传声器的额定灵敏度
传声器的额定灵敏度是指传声器振膜上感受到1Pa声压时，在其负载阻抗上产生的输出电压值。
经常用dBm来表示。
通常以1V/Pa为基准值（即0dB），一般传声器的灵敏度都在mV数量级，或-80dB～-30dB之间。
输出阻抗越高，输出电压也越高。
电容传声器或驻极体传声器由于内部有一个低噪声放大器，因此输出电压都比动圈传声器高一些。
现今，大多数传声器的输出电路没有明显的负载（即调音台的输入阻抗都在2KΩ以上），因此传声器可以说是在开路输出的情况下工作的。
我们举例说明传声器额定灵敏度的意义：
一个传声器的灵敏度为0.007V（7mV）/1pa。
其意义是把该传声器置于/1pa或声压级SPL为94dB的声场中，它的输出电动势为0.007V或7mV。
一个动圈传声器的典型开路灵敏度为-80dB（0dB=1v/1pa）,在1μpa（微巴）声场的声压级（74dB），求得的开路电动势为：
取（-80/20）的反对数=10-4=0.0001v（0.1mv）。
注：
演讲人离传声器0.6m距离的声压级约为65dB～70dB。
如果要与前一个额定灵敏度比较，首先要注意前面的灵敏度是在94dB声压级的声场中测定的，第二个灵敏度是在74dB的声场中测定的，必须改正20dB的声压级差值，即74dB声压级需要提升20dB或乘上一个10的因子。
进行了这项工作后，第二个传声器的等效声场为94dB，它的额定灵敏度为0.001v，这样我们就可以比较两个传声器的开路灵敏度了。
第一个传声器的输出电压为0.007V，比第二个传声器的灵敏度0.001v高17dB，即：
20log（0.007/0.001）=17dB。
有些制造公司给出的传声器灵敏度是把传声器置放于参考声场中，传输给匹配负载的以dBmW为单位的功率电平，如果给出的灵敏度为：
负载阻抗=200欧姆，功率输出=-40dBmW（10达因/厘米2），那么如何换算成输出电压呢？
首先我们要注意-40dBmW是传声器置于声压级为94dB声场中的输出功率。
把-40dBmW换算为功率值，其数值为：
取（-40/10）=
的反对数=0.0001mw=0.1
w。
因为功率P=E2/Z，200欧姆负载两端的出电压为E=
=
=0.0045v（4.5mv）。
由于匹配负载上获得的电压为输出电动势的一半，因此无负载的开路输出应加倍，为0.009v（9mv）。
图6-17（A）是决定在94dB声场中（即1Pa），有负载或无负载传声器的输出功率电平与传声器阻抗的函数关系的一种有用的计算图。
简单地在输出功率和负载阻抗之间画一根直线，然后在左边交叉处的刻度上可读出电压的dBmv。
这些电压的分贝值可直接在（B）图中换算成为v或mv数值。
图6-17传声器输出功率和输出电压的计算图
（a）传声器的输出功率与负载阻抗和电动势的关系（b）传声器的输出电压（v或mv）与dBv的换算关系
2、传声器的额定噪声
额定噪声在动圈传声器中一般不说明，因为它们通常不用在低声压级环绕的录音。
用作录音的传声器有注明它本身噪声电平的规定。
等效噪声电平可用声级表测量并且用dB（A）来进行评价。
例如，一个高质量的电容传声器可以有17dB（A）的额定噪声电平。
传声器的自身噪声是它的前置放大器输入级固有的噪声，等效于把一个没有噪声的传声器放到一个17dB（A）的声场中产生的输出电动势。
常见的电容传声器和驻极体传声器的典型噪声在17dB（A）至27dB（A）的范围。
图6-18是与传声器特性有关的各种声源的声压级概念。
图6-18传声器与各声源声压级之间的关系
3、传声器的失真度和动态范围
演播室质量的电容传声器的失真度为在规定的声场中，总谐波失真系数（THD）通常不大于0.5%，这个失真度通常都发生在130dB至140dB的高声压级范围。
大部分电容传声器有一个内部衰减器，它可插入到电路中去，可提高10～15dB的工作范围。
然而，使用插入衰减器后，也会使它的底部噪声相应增加。
很多动圈传声器可工作到极大的声压级范围而只增加一点不明显的失真，因为它与电容传声器相比，动圈传声器的过载趋向是缓缓地发生的。
考察传声器总的动态范围，演播室用的高质量电容传声器的动态范围约为110dB，并且无疑地比扩声系统要求的动态范围大得多。
4、传声器的频响特性、指向特性和阻抗特性
传声器的频响特性、指向特性和阻抗特性的涵义类似于扬声器系统相应的特性，它们之间的差别在于传声器的结构紧凑、体积很小，不能像扬声器系统那样可用多种不同直径、不同性能的换能器结合组成，而只能用一种高性能、宽频响的优质换能器。
它们详细特性见表6-3。
6.5传声器使用中的若干问题
本节将分析传声器使用中的干扰问题、幻象供电、线路损耗、多话筒使用引起的传声增益下降问题和如何正确选用无线话筒等问题。
6.5.1传声器使用中的干扰问题
扩声系统中实际使用多于一个传声器，图6-19是用两个传声器拾取单人讲话信号时发生的问题。
讲话人在中心位置时，拾取的信号是好的，然而，当讲话人稍微移动到一边或另一边时，它和两个传声器之间有一个传输途径长度差，合成传声器的频响特性如图（B）所示。
因此如果要求有一个特别宽的拾音角，那么传声器可交叉张开放置在上面，如图（C）所示。
讲话人与两个传声器之间的途径差最小，拾取信号的频响特性除最高端频率外，都是平滑的。
另外一个经常遇到的问题是反射声延时与直达声一起进入传声器，如图6-20所示。
指向性传声器一般推荐用在反射声对直达声形成干扰的地方。
作为舞台使用，平嘴传声器可获得最佳的效果。
图6-19多传声器拾音对频响特性的影响
（a）舞台上两个心形传声器不适当的安置方法（b）传声器合成频响特性（梳状滤波器效应的频响特性）（c）交叉安装的传声器
图6-20反射声对传声器频响特性的影响
（a）讲台上传声器安装的正确位置（b）提高传声增益的安装位置（c）降低传声器的安装位置有利减少地面发射声的干扰
6.5.2电容传声器的远距离幻像供电
现今电容传声器需用的48V直流电源都是由调音台输出的称之为幻像电源的以远距离方式供电的。
调音台传声器输入插座的基本电路如图6-21所示，由一个低阻抗直流电源E供电。
6300欧姆电阻是防止幻象电源短路和各通道的输入信号被幻象电源短路，并使通道之间的信号交叉干扰保持在最低的水平，因为在2脚和3脚（信号传输接点）之间没有电位差。
动圈传声器可安全地插入这个供电电路而不会发生不利影响。
图6-21电容传声器的远距离幻象供电
6.5.3信号的线路损失
如果使用高质量的传声器，扩声系统中的线路损耗都可忽略不计。
高质量的传声器电缆需用大于24号（AWG/美规）标准的铜线成对组成，并且外面包有编织屏蔽网。
内导体每公尺的电阻约为0.08欧姆，导体之间的电容量约为100pf（10-12法拉）。
图6-22（A）是它的等效电路，已忽略了线路电阻的影响，因为它的数值与负载电阻和传声器的源阻抗相比是十分小的。
在1KHZ，10m导线间1000pf电容量的影响可忽略，因为它相当于跨接在3000欧姆负载电阻上一个-j160000欧姆的电抗。
在20KHZ，10m导线间跨接在3000欧姆负载上的容抗为-j8000欧姆，这个阻抗与3000欧姆相比仍然是足够大，可以忽略不计。
现在，我们考虑60m（200英尺）电缆的损耗。
对于3000欧姆负载来说，线路电阻仍然是十分小的，可以忽略。
1KHZ时，6000pf电容量的容抗为-j26500欧姆并跨接在3000欧姆负载电阻的两端，其影响可忽略，但是在20KHZ，跨接在3000欧姆负载两端容抗为-j326欧姆，网络的总阻抗为1213欧姆，在负载上对信号产生衰减1.3dB的影响。
为什么在负载阻抗变化范围那么宽的情况下，负载上的输出电压变化还是那么小呢？
其原因是传声器的阻抗（源阻抗）比负载阻抗低很多，比例因子大于10：
1。
如果传声器阻抗以600欧姆替代原先的200欧姆，那么在20KHZ，60m电缆的损耗会超过3dB。
图6-22传输电缆的高频损耗
（a）长传输电缆中的分布电容对高频信号产生的衰减计算（b）不同长度的电缆和源阻抗的频响特性
在大剧院或大型室外音乐会的扩声系统中，需使用非常长的传输电缆，许多系统设计师在尽可能靠近声源地方的全部传声器设置了前置放大器，这样，即使是超长距离的传输也可获得实际上没有衰减的效果。
6.5.4多话筒同时使用对传声增益的影响
如果扩声系统中打开一个话筒时的系统传声增益为-6dB，但是同时打开两个话筒时的传声增益就会降低3dB，即每个话筒的传声增益变为-9dB。
其原因是同时打开多个话筒使用时，话筒混音器（或调音台）信号混合后的输出电平将会把多个话筒的输出信号按均方值相加。
由于多话筒同时使用时混音器输出电平的增加，会产生两种情况：
①使系统发生过载②系统发生声反馈啸叫。
为防止发生这两种情况，在同时使用的多话筒系统中不得不降低各路话筒放大器的增益，保证混音器的输出电平与使用单个话筒时同样的输出电平。
如图6-23（A）所示。
每路话筒放大器的增益下降为：
每路话筒放大器的增益降低=10logNOM（dB）（6-3）
式中：
NOM为同时打开使用的话筒数量。
但是这样的方法降低了每路话筒的传声增益。
采用图6-23（B）自动混音器（如SHURESCM410或SCM810）可解决多话筒同时使用时对每个话筒传声增益降低的问题。
图6-23多话筒同时使用时的信号叠加
（a）多话筒输入信号的相加（b）自动混音器原理
自动混音器的工作原理是在每路话筒放大器中设有一个声音信号的触发门槛电平。
打开的话筒如果没有声音信号输出，那么它输出的噪声电平低于触发门槛电平，该路放大器的通道被阻塞。
只有话筒有声音信号输出时，并且它的输出信号高于触发门槛电平，该路放大器通道被自动打开；此外，在每路话筒放大器中还抽出一个信号送到电压控制衰减器，由这个衰减器的输出控制自动混音器输出放大器的增益，确保混音器的输出电平与使用单个话筒时的输出电平相同。
自动混音器可保证多话筒同时使用时每个话筒的传声增益如同使用单个话筒时一样，因此在会议扩声和舞台演出时被广泛采用。
6.5.5如何正确选用VHF和UHF无线传声器
无线传声器因没有传输电缆的束缚，使用方便、灵活而被广泛采用。
但如果选用不当，常常会发生信号时有时无、噪声大、音质差和传输距离不远等烦恼。
产生这些问题的主要原因是没有根据现场环境和用途正确地选用无线传声器波段，或安装方法不正确。
现时的无线传声器广泛采用VHF（甚高频）和UHF（超高频）两个传输频段。
VHF波段的频率范围是30～300MHZ，波长为10～1m，通常称为“米波”。
UHF波段的频率范围是300～3000MHZ，波长为1～0.1m，通常称为“分米波”。
这两个波段广泛用于电视、调频广播、移动电话、传呼机、股票信息机、微波通信和雷达等，信道极为拥挤。
各种无线电波可在空间自由传播，不受时间和地域的限制，频率重叠交叉，如果没有约束和规定，不可避免地要产生相互影响，因此世界上对无线电波的使用有一个统一的规定，使它们之间的相互影响达到最小。
无线传声器准许使用的频率范围，VHF频段规定为169～230MHZ，共占有61MHZ的频带，与电视6～12频道的频带相同。
在61MHZ的频带内又分为A、B、C三段，VHF（A）为169～185MHZ；VHF（B）为185～200MHZ；VHF（C）为200～230MHZ。
UHF频段为690～960MHZ，共占有270MHZ的频带，与电视35～68频道的频带相同，可设置几百个无线传声器频道。
根据需要，频带还可向上扩展，设置更多的无线传声器频道。
1、VHF和UHF传播的特点
UHF频段主要利用直接辐射的电磁波传输能量，而VHF频段除了利用直接辐射的电磁波以外，它还利用了一部分折射和绕射的电磁波能量，因此在同样的发射功率和传播条件下，传输距离可以更远。
其原因是：
（1）金属物体对电磁波传播的阻挡和反射。
金属物体对电磁波都有阻挡和反射作用。
阻挡反射的效果与电磁波的波长和金属物体的大小有关。
电磁波的波长小于金属物体的尺寸时，则会被反射，电磁波的传播受到阻挡。
也就是说频率越高，金属物体对电磁波的反射越强。
如果电磁波的波长大于金属物体的尺寸，电磁波将会绕过金属障碍物继续传播（绕射）。
显然UHF比VHF的反射更多更强。
（2）电磁波对金属网格（或多孔金属板）的穿透能力。
电磁波的波长大于金属网格之间的孔距时，电磁波将会绕射通过，即频率越低，波长越长，通过金属网格的能力越强。
（3）非金属体（如人体和墙壁）对电磁波的吸收作用。
电磁波的频率越高，非金属体对它的吸收越大，电磁波的传播损耗也越大。
（4）空气湿度对电磁波传播的影响。
频率越高，电磁波的传播损耗越大。
传播损耗还与湿度的大小成正比。
2、无线传声器的信号质量与传输距离
无线传声器的信号质量直接影响传输距离。
信号质量（S/N）与发射功率、空间场强的分布、接收机的质量、收发天线的效率和外界干扰源的情况密切相关。
（1）解决电磁波场强起伏变化的措施
由于室内物体的反射和吸收，电磁波的多途径传播等因素，使空间电磁波的场强分布非常复杂，有些地方出现“阴影”去，甚至成为死角。
当发射机与接收天线之间的距离频繁发生变化时，这种起伏变化的场强也随之发生变化。
当接收天线处在弱场强位置时，会出现“哑音”点或音质变差。
为此，在无线传声器接收机中采用双天线分集接收技术（Diversity）和AGC自动增益控制技术给予弥补。
分集接收技术是在接收机中设置两套相同的接收天线和两个接收装置，并通过机内的一个计算机芯片电路自动检测并自动选出较强的一路接收信号作为当时的接收信号，在AGC控制的配合下，可有效
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