麥克風科學 - 基礎要點

文章來源 : DPA

麥克風技術 - 基本知識

麥克風是一種將聲能轉換為電能的電聲設備。這種轉換通常是通過一個機械系統（通常是一個振動的振膜）來實現的，這個機械系統受到聲場的影響。然後，機械運動通過電機耦合轉換為電信號。

從物理現象上看，聲音基本上可以通過聲壓、粒子速度或聲強度來描述。大多數麥克風對聲壓、聲壓梯度或兩者的組合做出反應。

因此，本節將僅討論以下類型的麥克風：

1. 壓力麥克風

2. 壓力梯度麥克風

3. 壓力和壓力梯度麥克風的組合

上述分類不涉及從聲能到電能的轉換。因此，進一步劃分如下：

• 動圈麥克風

• 電容麥克風

• 數字麥克風

晶體麥克風、加熱線麥克風和碳麥克風在專業音頻中不起作用。

壓力麥克風

壓力麥克風原則上是指在封閉腔室前面的一個振膜。聲壓只能從一側到達振膜。

圖1. 壓力麥克風的原理 - 振膜在封閉腔室前面（無傳感器）。

壓力麥克風可以類比為測量液體中的壓力的壓力計，它作為一個標量值測量壓力，不考慮方向。膜面朝向的方向並不重要，只有在實際深度處的壓力才重要。

圖2. 壓力傳感器的原理。

同樣地，壓力麥克風無論聲音從哪個方向進入，都能檢測到聲壓。壓力麥克風是全向性的。

然而，麥克風的物理尺寸會影響其所處的聲場。在比較高的頻率下，波長與振膜直徑相當或更短的情況下，當軸向聲音碰到振膜時會發生壓力積聚。結果，麥克風的輸出增加。

相反，當聲音來自麥克風的背面時，會出現特定的遮蔽效應。這些現象的影響程度取決於麥克風的尺寸。振膜和麥克風外殼尺寸越大，它在頻率範圍內的靈敏度增加的頻率範圍就越低。

因此，如果聲音只能從正面到達振膜，那麼它是壓力麥克風，因此是全向性的。

壓力梯度麥克風

在壓力梯度麥克風中，聲壓可以從正面和背面到達振膜。麥克風的輸出電壓與壓力梯度成正比，即振膜正面和背面的壓力差。如果聲音從側面來，則振膜的兩側壓力相同，即沒有壓力梯度，因此麥克風沒有輸出信號。

圖3. 壓力梯度麥克風的原理。

壓力梯度麥克風是雙向的，具有八字型的指向性特性。與壓力麥克風一樣，壓力梯度麥克風的特性也與其所處的聲場密切相關。

圖4. 不同波長下的壓力梯度。

聲壓差異取決於聲音的波長。低音，即波長長於振膜正面和背面之間距離的頻率，僅產生很小的壓力差異。隨著頻率的增加，梯度增加，振膜運動增加。在半波長等於振膜正面和背面之間距離的頻率下，振膜運動達到最大值。

圖5. 聲波兩點之間的壓力梯度。

對於標準尺寸的麥克風，這在大約5-10 kHz左右發生。在更短的波長下，情況變得更加複雜，八字型特性必須通過提供遮蔽或干擾效應的機械設計來支持。

壓力梯度麥克風的“原始”頻率響應缺乏低音。曲線的斜率是每八度增加6 dB。為了使麥克風具有正確的低頻響應，設計中使用了不同的技術來提供平坦的頻率響應。一種方法是使振膜更鬆弛，以達到低共振（就像調音鼓一樣）。根據設計和對靈敏度的需求，此共振以下的衰減率為每八度12 dB。所有梯度麥克風都在某一點上具有低頻衰減。

在壓力梯度麥克風中，還存在另一個因素。如果聲源靠近麥克風，則會出現低音增強的現象。這種現象被稱為鄰近效應。這種效應是由於反比平方定律（從點源距離加倍每減少6 dB）。這種效應在距離較近的情況下發揮作用。

圖6. 近端效應：近距離與聲源之間的低音增強，雙向和心型麥克風。

例如，如果一個點源位於距離振膜2 cm處，並且從前到後的距離也是2 cm，則壓力差異將為6 dB。這個原則適用於整個頻率範圍。但是，由於低頻時的壓力梯度較低，額外的壓力差異會導致低頻輸出增加。換句話說：當聲源靠近麥克風時，聲音的低音部分增加。

壓力和壓力梯度麥克風的組合

如果結合壓力和壓力梯度原則，就可以獲得一種定向麥克風，包括寬心型（次心型）、心型、超心型和超級心型特性。這兩種原則的結合可以在機械聲學或電學上實現。

通過機械聲學耦合，影響振膜背面的聲音部分通過一個或多個麥克風外殼的開口傳遞。通過改變這些開口的大小和衰減，可以控制從全向性（完全封閉的麥克風外殼）到雙向性（聲音可以訪問振膜的正面和背面）的特性。這種耦合形式可以適用於動圈麥克風和電容麥克風。

圖7. 這種麥克風外殼允許聲音進入後部開口，提供壓力梯度。

通過部分封閉振膜的背部，用多孔或多孔的減震材料覆蓋開口，以使聲音以降低的速度通過。這種技術確保來自後部（180°逆時針方向）的聲音同時到達振膜的正面和背面。這導致沒有振膜運動，麥克風的行為就像對來自背後的聲音不敏感。在其他聲音方向（¹≠180°）下，振膜的靈敏度會增加。這種麥克風具有心型特性。

圖8. 結合壓力和壓力梯度麥克風的示例。

通過在一定程度上改變聲音對振膜背面的進入的衰減，麥克風對於來自120°離軸角度的聲音入射變得不敏感。這是一種超心型麥克風設計，稍微對來自正後方的聲音敏感。

壓力和壓力梯度原則之間的電耦合通常只在電容麥克風中進行。這種耦合類型易於實現可變，將在有關電容麥克風的部分進行描述。

麥克風在聲場中的應用

由於麥克風在聲場中存在，對於高頻，它會對場域產生干擾影響。麥克風周圍將出現部分彎曲（繞射），以及從振膜正面的部分反射，並產生壓力積聚。

圖 9. 等於或短於直徑的波長處的壓力累積。

壓力麥克風受其物理尺寸的影響最大。它們的球形特性會隨著頻率增加而變窄。與此同時，還會發生壓力累積，這就是為什麼頻率響應在軸向高頻處會顯示出數分貝的增加的原因。

壓力麥克風的基本設計通常在較高頻率上會呈現衰減。在振膜前面添加網格時，此腔體具有共振，將高頻提升以獲得平坦的自由場響應或平坦的擴散場響應所需的效果。

同樣，還可以使用各種配件，例如聲壓等化器（APE）。這些設備進一步增加了頻率響應和指向性。

壓力梯度麥克風的順直特性可以在其截止頻率之前無擾動地構建。在截止頻率以上，繞射和壓力積聚可以部分修正頻率減少的特性。

在室內錄製聲音時，距離聲源（例如1-2米）的位置，除了直接聲場外，還受到擴散場的顯著影響。

壓力梯度麥克風的典型設計目標是使自由場特性和擴散場特性與頻率盡可能平行。這使得您可以改變錄製中的“空間效果”，即直接聲和反射聲的比例，而不改變麥克風的頻率平衡。

對於壓力麥克風，必須選擇平坦的自由場特性或平坦的擴散場特性。可以通過選擇不同的麥克風前網格來實現。

特殊方向性麥克風

在某些情況下，可能需要比心型或超心型麥克風更強的定向性。

干擾管麥克風

干擾管麥克風在需要集中定向性時特別有用，它通常被稱為“槍麥”或“狙擊麥”。干擾管麥克風可以由幾根平行的不同長度的管組成，排列在與麥克風元件垂直的方向上。然而，最常見的是由一個單獨的網狀管組成，由一個有狹縫的硬外殼管保護。

圖10. 干擾管麥克風。

這兩種設計都有相同的操作原理：當聲音直接從正軸線方向射向麥克風時，聲波的各個部分將以相等的距離傳播。因此，它們同時到達壓力敏感元件，並保持同相位。

如果聲音從其他角度射向麥克風，聲波的各個部分將通過不同的路徑到達壓力敏感元件。這些單獨的壓力貢獻不能具有相同的相位，當它們相加時，形成的聲壓要比直接聲波的聲壓要小得多。

這種側向聲波衰減取決於所討論的聲波的波長和聲波入射的角度。

由於現代干擾管麥克風設計為帶有狹縫的長管，它可以提供比有限數量的管更均勻的側向聲波衰減。然而，必須對最靠近壓力敏感元件的聲波進行聲學衰減。因此，這不僅僅是設計一個有狹縫的管，還需要在管內具有適當的減震。

由於管中的干擾首次發生在管長大於半個波長的情況下，高定向效果只能在頻率範圍的較高部分獲得。因此，麥克風元件（不帶管）通常是心型麥克風，以在低頻時實現一定的定向效果。

圖11. 干擾管麥克風的定向特性。

干擾管麥克風在主要方向上具有顯著靈敏度，但它也充滿了側瓣。在許多情況下，麥克風軸外的頻率特性變得非常不均勻。從這些方向來的聲音將不可避免地產生著色效果。

變焦麥克風

變焦麥克風通過在同一外殼中組裝兩個麥克風元件來實現可變的定向因子。其中一個是干擾管麥克風，具有高定向性。另一個可以是純1級壓力梯度麥克風，具有心型特性。

通過逐漸從一個麥克風切換到另一個，可以獲得可變的定向特性，聽起來聲學上類似於攝影變焦功能。然而，變焦麥克風有其限制，因為最大可實現的定向因子為2。

拋物面屏幕

通過將麥克風放置在拋物面屏幕的焦點上，可以獲得增強的定向效果。這是主要用於錄製鳥鳴的原理。然而，體育廣播也利用了這個屏幕。

圖12. 麥克風放置在拋物面屏幕的焦點上。

由於出於應對處理的原因，拋物面屏幕不能太大，這也導致反射和放大的頻率存在下限。實際上，這個限制介於500-1000 Hz之間。在此頻率以下，麥克風的行為就像沒有屏幕一樣。

邊界層麥克風

邊界層麥克風（BLM）原則上是一種普通麥克風元件，以特殊的方式在聲壓區域或邊界層中使用。

正如名字所示，這種麥克風被放置在邊界層或壓力區域。

如果聲音撞擊硬表面，聲音將反射。因此，在靠近反射物體的位置會產生壓力積聚，麥克風可以將其作為壓力增加來檢測。因此，表面上的壓力比沒有反射表面時強6 dB。此外，散射聲僅增強3 dB。

通過直接將麥克風放置在反射表面上，可以獲得6 dB更大的信號。麥克風吸引遠處聲源的能力是由於自由場和散射場比值提高3 dB。

基本上，邊界層麥克風是一種壓力型麥克風。但是，如果將定向性麥克風元件放置在非常靠近反射表面的位置，也可以使用它。

信號處理的應用

當需要特殊特性時，例如定向特性，可以利用數字信號處理帶來優勢。

一個例子是由Rundfunktechnik研究所開發的KEM（Kardioid - Ebenen - Mikrofon）。該麥克風的工作原理類似於倒置的柱狀扬聲器。一系列麥克風元件提供信號，並在後續的數字處理中進行總和/濾波，得到幾乎可以說是“平坦如煎餅”的定向特性。

圖14. KEM（Kardioid Ebenen Mikrofon）Microtec Gefell。

通過使用排列在彼此後面或較大表面上的許多元件的信號處理，可以實現波束成型，例如天花板麥克風（600 x 600 m）。

轉換原理

到目前為止，我們只討論了聲場如何影響麥克風振膜的問題。接下來，我們應該研究振膜運動如何轉換為電信號。

在專業音頻中，麥克風分為兩大類：

動圈麥克風

• 帶動圈的麥克風

• 環帶麥克風

電容麥克風

• 低頻電容麥克風

• 高頻電容麥克風

• 靜電麥克風

• （數字麥克風）

動圈麥克風

動圈麥克風根據感應原理工作。一個電導體在磁場中由於聲音而移動。這在導體的兩端產生了一個與導體在聲場中的速度成比例的電壓。因此，輸出信號與振膜上的聲壓呈90°相位差。

圖15. 動圈麥克風的工作原理。

帶動圈的麥克風

在帶動圈的麥克風中，導體被設計為附著在塑料或金屬薄膜上的一個小線圈。該線圈位於一個強磁場的空氣間隙中。這個結構與電動式揚聲器非常相似。

圖16. 控制動圈麥克風中的共振現象。

您可以將電動式麥克風與質量/彈簧系統進行比較。質量由振膜和線圈形成，而懸掛則起到彈簧的作用。與機械系統一樣，麥克風也會具有共振頻率。對於動圈麥克風，這個共振頻率大約在150至800 Hz之間，即在可用頻率範圍的中間。為了獲得合理平坦的頻率響應，需要阻尼振膜。通常，這是通過插入阻尼材料來實現的。

多年來，麥克風製造商不得不試驗適合的機械設計以實現廣泛的頻率範圍。通過添加減震材料，腔體，管道等，已經取得了可用的結果。然而，動圈麥克風幾乎總是會在聲音中添加一些共振現象，這就是為什麼麥克風聽起來可以如此不同的原因之一。

鋁帶麥克風

在鋁帶麥克風中，聲場直接作用於導體，通常設計為一條薄的金屬帶。這條帶子懸掛在一個強大的永久磁體的極點之間。

當帶子移動時，帶子的兩端會產生電壓。電壓和阻抗都非常低，因此帶子連接到麥克風本身內部的一個變壓器。

帶子的質量很小，通常小於0.5毫克。懸掛非常軟，這使得系統具有20-70 Hz的共振頻率。因此，與帶動圈麥克風不同，頻率響應不是由阻尼決定的，而是由質量決定。

如果聲音同時到達帶子的兩側，則它是一個純壓力梯度麥克風，具有8字型特性。兩個葉片的極性相反。

環帶麥克風也可以進行聲學耦合，獲得其他定向特性。

由於帶子懸掛鬆散，環帶麥克風對機械衝擊和風的暴露非常敏感。作為回報，它們具有相對良好的瞬態再現能力。

電容麥克風

低頻電容麥克風

低頻電容麥克風由一個電導性振膜伸展在一個固定背板/背電極的前方組成。在給振膜和背電極提供偏壓電壓時，兩部分之間形成一個電場，類似於電容器的板。該電場拉緊了振膜。

圖18. 電容麥克風的工作原理。

當暴露於聲音時，振膜與背電極之間的距離會變化。即聲場導致容量隨聲場變化。由於通過電壓偏置的電荷保持恒定，電容麥克風的瞬時電壓與振膜與中性位置的位移成正比。

膜可以由薄金屬箔（例如鎳），厚度為2-3微米，組成。現代電容麥克風的膜片由塑料箔製成，上面蒸鍍了一層金屬（例如金）。這些材料導致質量較小，但可能需要支撐較大的振膜在其中心，以防止膜片和背板坍塌並短路靜電電壓。

圖19. 雙振膜電容麥克風。

電容麥克風系統中也存在共振，但共振頻率明顯高於動圈麥克風的共振頻率。振膜的阻尼通常是由振膜和背電極之間的空氣進行的。

由於電容麥克風電容很低（約50皮法），該系統的阻抗非常高。因此，需要在麥克風系統附近放置一個放大器級以將信號調整到適合電纜和後續輸入的水平和阻抗。結果的阻抗通常在20至200歐姆之間。

電容麥克風的靈敏度取決於偏壓電壓。因此，可以通過控制兩個單獨的膠囊或放置在共同電極的兩個振膜的偏壓來獲得不同的定向特性。 圖20. 具有可切換定向特性的雙振膜電容麥克風的電路。

圖20展示了如何獲得三種主要特性：全向、心型和8字型。也可以實現介於這些特性之間的任何模式。

前振膜0 V

中心電極25 V

後振膜0 V

兩個膜片具有相同的電位，即與中心電極的+25伏特相比，為0伏特。這種配置產生了兩個相向但同相位的心型圖案。通過將這兩個信號電相加，可以獲得球面指向特性。

前振膜0 V

中心電極25 V

後振膜0 V

中心電極和後振膜之間沒有電位差，後者將與前振膜同相位的信號產生。通過減去後者的信號，可以實現心型定向特性。

前振膜0 V

中心電極0 V

後振膜25 V

與中心電極相比，兩個振膜上都存在25伏特的電位差。然而，由於一個振膜是負的，而另一個是正的，這兩個系統的信號電相相反，這就產生了八字型的特性。

高頻電容麥克風

除了麥克風電容器之外，HF電容式麥克風還包含高頻振盪器和解調器電路。與LF電容式麥克風不同，對電容器不施加偏壓電壓。

另一方面，聲音引起的電容變化會調變振盪器的高頻，通常在8 MHz左右。

圖21. 射頻電容式麥克風原理。

然後，解調器電路檢測低頻信號。只有少數品牌應用HF電容式麥克風原理。

然而，它具有一定的優勢，因為對於濕度和絕緣失效相對不太敏感。

電極麥克風

電極麥克風基本上與LF電容式麥克風相同。然而，與此不同的是，電極麥克風不需要在電容器電極之間施加外部電壓。

電極麥克風包含預先電極化的材料，類似於永久磁鐵。具有這些特性的材料可以是塑料膜（聚酯，PVC，聚四氟乙烯）或陶瓷電極材料。極化是通過將材料置於加熱狀態並在隨後的冷卻中施加靜電場來進行的，對於膜來說，約為20 kV / cm。在去除靜電場時，材料將保持一個對應於極化電壓的電荷，例如約為100 V的順序。即使不進行加熱，極化也可能發生。如果電場足夠強，可能不需要加熱。

膜可以應用為振膜，而陶瓷電極材料可以用作背極（背極麥克風）。

圖22. 電極麥克風原理。

對於此類麥克風仍然需要電池或其他外部電壓，這是由於內置放大器（阻抗轉換器）需要供應電壓。

電極材料已經具有很好的保持靜電電壓的能力，甚至在測量麥克風中也被使用，而測量麥克風對穩定靈敏度有很高要求。

數位麥克風

實際上有三種可能性：

1.具有內置AD轉換器的模擬麥克風

2.具有相關數字信號處理的模擬麥克風

3.半導體麥克風（此處未提及）

具有內置AD轉換器的模擬麥克風 本質上，這組麥克風被稱為數位麥克風。聲音是模擬的，所使用的麥克風膠囊也是模擬的。該系統基於信號在膠囊後立即轉換為數字代碼，轉換器內置於麥克風外殼中。

數字代碼和接口的物理部分基於AES3標準。 2001年，發布了一個用於與此類麥克風一起使用的接口標準：AES 42-2001（當前版本AES42-2019）。該標準被廣泛接受，預計所有在專業聲音製作中使用的數位麥克風都將遵循該標準。

原理

現有的麥克風在麥克風膠囊之後立即放置轉換器，該膠囊是電容式的。通常在轉換器之前還會放置一個衰減器，以確保麥克風的衰減。在電容式麥克風中，衰減器由插入到膠囊平行的電容器構成，從而隨著靈敏度的降低減少膠囊的電荷。

內置轉換器必須能夠處理麥克風的整體動態範圍。優秀的麥克風膠囊的動態範圍可以達到125-140 dB，因此對轉換器提出了至少相同的要求。在實踐中，已經看到了一種類似級聯耦合的兩個轉換器的解決方案，以實現所需的動態範圍。

圖23. 數字麥克風原理。

介面接口

為了與外界交流，轉換器的輸出必須格式化為標準化接口。 AES42-2019基於已知的AES3。這是一種串行接口，其中可以傳輸來自兩個通道的音頻數據，以及各種有用的狀態信息，例如當前取樣頻率，時間碼，模擬參考電平的定義等。該信號可以通過配有XLR連接器的雙線纜線路由。

AES42-2001也可以通過雙導體纜線以串行方式傳輸兩個信號。有趣的是，同時還可以將遙控信號與幻象電壓一起傳輸到麥克風，以供應麥克風。這樣，就可以通過控制盒或準備用於數字麥克風的混音器對衰減、指向特性、過濾和不同的信號處理進行設置。當然，這需要麥克風包含這些選項。

AES42-2019信號可以饋送到特定的遠程控制盒或混音設備，如果其具有數字麥克風輸入的選項，則可以控制各個參數。 數字同步通常需要外部主時鐘，尤其是如果要使用多個數字麥克風。

具有數位信號處理的模擬麥克風

當需要特殊特性時，例如指向特性，可以利用數位信號處理。

例如：Townsend Labs Sphere是一款可以通過數位插件控制的雙膜麥克風。在插件中，個別的振膜信號被處理以模仿各種麥克風的特有聲音。

另一個數字處理的例子適用於陣列麥克風，如MH Acoustics的Eigenmike。該麥克風在堅固球體的表面上排列了32個模擬膠囊（電極）。

客觀特性

請參閱“如何閱讀麥克風規格”。

[來源：Brixen＆Voetmann：Praktisk Elektroakustik]