常見的電聲器件
常見的電聲器件有揚聲器、受話器、傳聲器(麥克風)等,各種電聲器件均是一種聲電互相轉換的換能器件。
揚聲器(Speaker)
把電能變換為聲能,并將聲能輻射到室內或開闊空間的電聲換能器稱為揚聲器,又稱為喇叭。
受話器(Receiver)
把電能轉換為聲能并與人耳直接耦合的電聲換能器稱為受話器,又稱為通信用的耳機。
傳聲器(Microphone)
把聲能轉換為電能的換能器稱為傳聲器,又稱為麥克風、話筒、微音器、咪頭,咪膽等。
電聲器件
按電聲器件的頻率特性可分為:廣播級電聲器件與通信級電聲器件。
廣播級電聲器件
主要指的是用于廣播、電影、電視、劇院等方面的聲音重放和錄音的各種揚聲器系統、耳機、傳聲器、拾音器(唱頭)。其特點是頻率范圍寬(20~20KHz),動態范圍大,高保真等特點。
通信級電聲器件
主要指的是應用于電話系統和軍、民用無線電通訊機中作語音通信用的送話器、受話器及頭戴送/受話器組合部件。其特點是頻率范圍窄(300~3400Hz),強調語言的清晰度,可懂度。
揚聲器
分類
1、按磁路結構分:外磁式、內磁式、雙磁式;
2、按工作原理分:動圈式、電磁式、壓電式、電容式等;
3、按使用環境分:軍用、民用等。
動圈式揚聲器結構
揚聲器的指標
靈敏度
xxdB @ 1m 1W
xxdB @ 0.1m 0.1W
兩者相差10dB
頻率響應
頻響的4個關鍵參數:
SPL(響度、靈敏度)、低頻諧振頻率f0、平坦度、f0對應的響度
低截止頻率fL
高截止頻率fH
若揚聲器的SPL為P0@ f0=1KHz,則
@ fL,P=P0-10dB
@ fH,P=P0-10dB
喇叭的諧振頻率
溫度上升,諧振頻率下降
溫度下降,諧振頻率上升
傳聲器分類
有動圈式、電容式、駐極體和最近新興的硅微傳聲器,此外還有液體傳聲器和激光傳聲器。
動圈傳聲器音質較好,但體積龐大。
駐極體傳聲器體積小巧,成本低廉,在電話、手機等設備中廣泛使用。
硅微麥克風基于CMOSMEMS技術,體積更小。其一致性將比駐極體電容器麥克風的一致性好4倍以上,所以MEMS麥克風特別適合高性價比的麥克風陣列應用,其中,匹配得更好的麥克風將改進聲波形成并降低噪聲。
麥克風的歷史可以追溯到19世紀末,貝爾(AlexanderGrahamBell)等科學家致力于尋找更好的拾取聲音的辦法,以用于改進當時的最新發明——電話。期間他們發明了液體麥克風和碳粒麥克風,這些麥克風效果并不理想,只是勉強能夠使用。
二十世紀,麥克風由最初通過電阻轉換聲電發展為電感、電容式轉換,大量新的麥克風技術逐漸發展起來,這其中包括鋁帶、動圈等麥克風,以及當前廣泛使用的電容麥克風和駐極體麥克風。
1、話筒的反平方定律:話筒距離聲源增加一倍,其輸出衰減6dB;相反則增加6dB 。
2、接近效應:聲源愈接近話筒,低頻響應愈大,這叫做話筒接近效應。如果表演者希望他的聲音或樂器多一點低頻的表現,只要靠近話筒多一點就可以。
MIC靈敏度的單位一般為 dBV/Pa 或 dBV/ubar
因為100kPa = 1 bar,所以 0dBV/Pa = 0dBV/10ubar = -20dBV/ubar
-40dBV/Pa = (-40)+(-20)dBV/ubar =-60dBV/ubar
人工耳有三種:
IEC318
NBS-PA
布朗耳(前蘇聯)
助聽功能的受話器就是增加助聽線圈以激勵助聽器的受話器。
評價喇叭的三個要素:
頻響、失真度、壽命
耳機相關參數
阻抗(Impedance):注意與電阻含義的區別,在直流電(DC)的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,但是在交流電(AC)的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,而我們日常所說的阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
靈敏度(Sensitivity):指向耳機輸入1毫瓦的功率時耳機所能發出的聲壓級(聲壓的單位是分貝,聲壓越大音量越大),所以一般靈敏度越高、阻抗越小,耳機越容易出聲、越容易驅動。
頻率響應(Frequency Response):頻率所對應的靈敏度數值就是頻率響應,繪制成圖象就是頻率響應曲線,人類聽覺所能達到的范圍大約在20Hz-20000Hz,目前成熟的耳機工藝都已達到了這種要求。
失真度(Distortion):分為諧波失真、互調失真和瞬態失真。耳機的失真一般很小,在最大承受功率時其總諧波失真(THD)小于等于1%,基本是不可聞的。
諧波失真是指聲音回放中增加了原信號沒有的高次諧波成分而導致的失真;互調失真影響到的主要是音調方面;瞬態失真是因為振膜具有一定的慣性質量存在,導致其震動無法跟上瞬間變化的電信號的震動而導致的原信號與回放音色之間存在的差異。它在音箱與揚聲器系統中則更為重要,直接影響到音質音色的還原程度。失真度常以百分數表示,數值越小表示失真度越小。
測試條件變化對MIC靈敏度的影響
ECM(駐極體)MIC的基本模型為聲壓控制的電流源。
MIC偏置電阻RL越大,輸出靈敏度越高。因為MIC為聲壓控制的電流源,一般地,偏置電阻增大到2倍,輸出靈敏度將提高6dB,反之減小為1/2,則輸出靈敏度減小6dB。
電阻提高到3K
電阻降低到1K
MIC偏置電壓V+越高,輸出靈敏度也越高。但偏置電壓的變化,對靈敏度的變化影響比較很小。
惠更斯定律
任何在其表面具有恒定相位的聲輻射器,如低頻錐形喇叭或靜電板式喇叭在低頻下工作時,聲音向四面散射,隨著頻率越高則指向性越強。具有指向性的原因可通過 Huygen定律來解釋,即任何反射表面都可被細分為由若干獨立的小平面組成,每個小平面都是向四面反射。我們假設錐形表面的其中一處為A,另一處為 B(如下圖),那么就可得出A和B到任意一個指定接聽點P的聲音傳播效果。
如何計算指向性
如果振膜表面的兩點到接聽點的距離相等,則這兩點傳輸過來的聲波在接聽點將會疊加。如果在某個頻率下,來自A點的聲波傳輸時間比來自B點的聲波傳輸時間多半個周期,則接聽點處這兩個聲波的相位將互相抵消。通過對其微積分,就可得出在任何接聽點處,錐形喇叭或任何喇叭的整體頻響。在某一頻率下,錐形喇叭的整體頻響可被分解為不同的定向輻射模式(圖)。
輻射瓣的指向性
上圖根據不同的ka值進行了分類,ka為錐形喇叭的半徑和波數的乘積。(k=2πf/c,其中f是頻率,c是聲速)通過計算,我們發現ka只是周長與波長的比。我們知道,1kHz聲波的波長約為1英尺,且波長與頻率是成反比的,因此,對于1個15英寸的喇叭而言,周長約為4英尺,所以就可將ka等于1的圖用在一個250Hz的15英寸喇叭上,如果是一個12英寸的喇叭,則相應的頻率應為333Hz。
要注意的是,當頻率高于ka=1時的頻率值時,聲音才會具有指向性。通常來說,在ka<=1的頻率下,錐形喇叭輻射聲波時就像在進行活塞運動一樣,整個振動表面以同相向外輻射聲波。但當頻率高于上面所提到的值時,現實中錐形喇叭整個振動面將不會同相輻射聲波,所以ka>=1時圖2的曲線圖基本上在現實情況下是不適用的。
這樣,在更高頻率下,現實中錐形喇叭的指向性模式與相同尺寸的活塞式喇叭的理論模式是不同的??偟膩碚f,在更高頻率下,錐形喇叭的指向角度范圍(錐形喇叭的不同部分相互之間是異相的)比真正的活塞式喇叭的輻射角度更廣。同時,任何錐形音箱的指向性在頻率增加時都會變的更窄。這就是著名的聚束效應。