麦克风电路图,工作原理解析

工程师谭军 发表于 2018-09-28 08:30:42 收藏 已收藏
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麦克风电路图,工作原理解析

工程师谭军 发表于 2018-09-28 08:30:42

  本文主要是关于麦克风的相关介绍,并着重对麦克风电路图及工作原理进行了详尽的阐述。

  麦克风

  麦克风,学名为传声器,是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,由“Microphone”这个英文单词音译而来。也称话筒、微音器。二十世纪,麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换,大量新的麦克风技术逐渐发展起来,这其中包括铝带、动圈等麦克风,以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。

  工作原理

  麦克风是由声音的振动传到麦克风的振膜上,推动里边的磁铁形成变化的电流,这样变化的电流送到后面的声音处理电路进行放大处理。

  声音是奇妙的东西。我们听到的各种不同声音,都是由我们周围空气的微小压差产生的。奇妙之处在于,空气能将这些压差如此完好、如此真实地传输相当长的距离。

  它是由金属隔膜连接到针上,这根针在一块金属箔上刮擦图案。 当您朝着隔膜讲话时,产生的空气压差使隔膜运动,从而使针运动,针的运动被记录在金属箔上。随后,当您在金属箔上向回运行针时,在金属箔上刮擦产生的振动会使隔膜运动,将声音重现。这种纯粹的机械系统运行显示了空气中的振动能产生多么大的能量!

  所有现代的麦克风与最初的麦克风需要完成的事情都并无二致。只不过就是以电的方式,代替了机械方式。麦克风将空气中的变动压力波转化成变动电信号。有五种常用技术用来完成此项转化:

  碳

  最古老最简单的麦克风,使用碳尘。历史上第一部电话就使用此项技术,如今在某些电话中仍在使用。在碳尘的一侧有很薄的金属或塑料隔膜。当声波击打隔膜时,它们压缩碳尘,改变电阻。通过给碳通电,改变了的电阻会改变电流大小。有关更多信息,请参见电话工作原理。

  动态

  动态麦克风利用电磁效应。当磁体通过电线(或线圈)时,磁体在电线中感应出电流。在动态麦克风中,当声波击打隔膜时,隔膜会移动磁体,此运动产生很小的电流。

  带状

  在带状麦克风中,一个薄的带状物悬挂在磁场中。声波会移动带状物,从而改变流经它的电流。

  电容器

  电容器麦克风实际上是一个电容器,其中电容器的一极响应声波而运动。运动改变了电容器的电容,这些改变被放大,从而产生可测量的信号。电容器麦克风通常使用一个小的电池,为电容器提供电压。

  晶体

  某些晶体改变形状时会改变它们的电属性(要了解此现象的一个例子,请参见石英表工作原理)。通过将隔膜连接到晶体,当声波击打隔膜时,晶体将产生信号。

  种类

  内置型

  内置麦克风是指设置在数码摄像机内的麦克风,用作拍摄录音之用。作为视频和音频的记录装置,数码摄像机的麦克风当然不能马虎。对于消费级的数码摄像机来说,很多麦克风都安装在机体里面,这样的好处是能节省空间,真正实现,消费数码摄像机方便的理念,但是这样一来,内置麦克风可能会在录音的同时录下机器的转动声音,这些噪音在后期制作中很容易分辨,却很难分离和去掉的。

  要解决这些噪音问题,有以下几个办法:

  选择录音功能强大的数码摄像机。在众多数码摄像机中,内置麦克风功能最多的要数松下的机型。松下内置的广域收音麦克风,在用远摄镜拍摄较远的人物时,较近的环境声都盖过了人物的声音,而松下公司给摄录机均加上Zoom Mic功能,可以随镜头变焦,缩窄收音范围,减少杂声,是简单而实用的设备。收音方面亦有Wind Cut功能,可减少因风声过大引起的杂声。

  至于佳能、索尼和JVC的数码摄像机,虽然麦克风在收音性能上与松下并无大差异,但是也相对少了

  不少的特殊功能。以上提及的数码摄像机,都可以另外配置一个变焦麦克风,其功能和松下的内置麦克风一样,外置的麦克风有一点好处,就是可以避免录下机器转动的声音,外置麦上的隔风层,还能减少空气流过的声音。而对于专业的数码摄像机来说,通常使用的都是外置麦克风。

  专业型

  专业麦克顾名思义是有别于普通民用麦克风。

  从功能大概主要分三类:

  第一,演出用麦克风,主要使用动圈麦克风和电容麦克风(主要根据使用场合和要求不同而选择)。

  第二,录音用麦克风,主要使用电容麦克风和铝带话筒,录音用电容话筒不包括驻极体麦克风。

  第三,会议用麦克风,主要使用驻极体和少量的动圈麦克。

  无线麦克风:

  麦克风其主要特点是音质好,不需要电源供给,但价格相对较高。另一类话筒是驻极体话筒。其特点是耐用,灵敏度较高,需要1.5~3V的电源供给,音质比同价位的动圈式话筒要差一些。但其价格相对较低,适合做播音麦克风。

  作为家用麦克风,最好选择动圈式,因为其音质比其他种类的要好一些,可以真实地再现人声,且不易在音量大的环境下与音响设备发生自激啸叫,损坏音箱中的高音扬声器。正品货通常包装精美,外观设计也很美观,话筒握在手中应有沉甸甸的感觉,手感舒适,丝网罩上应无毛刺,更不能损坏。话筒线上应有与话筒相一致的商标品牌。

  在选出自己比较满意的产品后,可用一台质量优越的进口高保真音响进行试机。试机时,将麦克风插入音响耳机插孔,将音量旋至最小,用随机的CD机或VCD机播放正版音乐带,音量开小一些,打开话筒开关,此时,你会发现麦克风成了一只小的扬声器,你可以用不同的话筒试验,选出音质最好的一种。

  最后再检查其工艺,即摇动咪头,不应松动,更不能与话筒脱离。接入功放的话筒插孔后,开关时话筒不应有“咔啦”声,按压开关不应有任何杂音出现。经过以上的精挑细选,麦克风均能通过的话,这样的麦克风无疑是优良的。

  电容型

  电容式麦克风有两块金属极板,其中一块表面涂有驻极体薄膜(多数为聚全氟乙丙烯)并将其接地,另一极板接在场效应晶体管的栅极上,栅极与源极之间接有一个二极管。当驻极体膜片本身带有电荷,表面电荷地电量为Q,板极间地电容量为C,则在极头上产生地电压U=Q/C,当受到振动或受到气流地摩擦时,由于振动使两极板间的距离改变,即电容C改变,而电量Q不变,就会引起电压的变化,电压变化的大小,反映了外界声压的强弱,这种电压变化频率反映了外界声音的频率,这就是驻极体传声器地工作原理。

  电容式麦克风的膜片多采用聚全氟乙丙烯,其湿度性能好,产生的表面电荷多,受湿度影响小。由于这种传声器也是电容式结构,信号内阻很大,为了将声音产生的电压信号引出来并加以放大,其输出端也必须使用场效应晶体管。

  电容式麦克风的优点

  1、能将声音直接转换成电能讯号的最佳设计原理:

  电容式麦克风是利用导体间的电容充放电原理,以超薄的金属或镀金的塑料薄膜为振动膜感应音压,以改变导体间的静电压直接转换成电能讯号,经由电子电路耦合获得实用的输出阻抗及灵敏度设计而成。

  2、能展现『原音重现』的特性:

  音响专家以追求『原音重现』为音响的最高境界!从麦克风的基本设计原理分析,不难发现电容式麦克风不仅靠精密的机构制造技术,而且结合复杂的电子电路,能直接将声音转换成电能讯号,先天上就具有极优越的特性,所以成为追求『原音重现』者的最佳选择。

  3、具有极为宽广的频率响应:

  振动膜是麦克风感应声音及转换为电能讯号的主要组件。振动膜的材质及机构设计,是决定麦克风音质的各项特性。由于电容式麦克风的振动膜可以采用极轻薄的材料制成,而且感应的音压,直接转换成音频讯号,所以频率响应低音可以延伸到10Hz以下的超低频,高音可以轻易的达到数十KHz的超音波,展现非常宽广的频率响应特性!

  4、具有超高灵敏度的特性:

  在振动膜上面因为没有音圈的负载,可以采用极为轻薄的设计,所以不但频率响应极为优越,而且具有绝佳的灵敏度,可以感应极微弱的声波,输出最清晰、细腻及精准的原音!

  5、快速的瞬时响应特性(Transient Response)是先天上的赢家:

  振动膜除了决定麦克风的频率响应及灵敏度的特性外,对声波反应快慢的能力,即所谓「瞬时响应」特性,是影响麦克风音色的一个最重要因素。麦克风瞬时响应特性的快慢,决定于整个振动膜的轻重,振动膜越轻,反应速度就越快。电容式音头极为轻薄的振动膜,具有极快速的瞬时响应特性,能展现清晰、明亮而有劲的音色及精准的音像。尤其中、低音完全没有音染及『箱音』,高音细腻而清脆,是电容式最显著的音色特点。由下面的附图可明显看出电容式音头的瞬时响应特性远优于动圈式。

  6、具有超低触摸杂音(Handling Noise)的特性,是音响专家最赞赏的特点:

  使用手握式麦克风时因与手掌接触产生的触摸杂音,让原音混杂了额外的噪音,对音质影响至巨,尤其对具有前置放大电路的无线麦克风更严重,所以触摸杂音成为评断麦克风优劣的重要项目。从物理现象探讨,鹅毛与铜板同样掉到地板上,鹅毛几乎听不到掉落的声音,而铜板就很大声,显示较轻的材料比较重的撞击声小。同理,电容式麦克风的振动膜比较轻,先天上就具有『超低触摸杂音』的绝佳特点。

  7、具有耐摔与耐冲击的特性:

  使用麦克风难免因不慎掉落碰撞导致故障或异常。由于电容式音头是由较轻的塑料零件及坚固的轻金属外壳构成,掉落地面的撞击力较小,损坏的故障率较低。

  8、具有体积小、重量轻的独特优点:

  电容式麦克风因采用超薄的振动膜,具有体积小、重量轻、灵敏度高及频率响应优越的特点,所以能设计成超小型麦克风(俗称小蜜蜂)广泛的应用。

  9、最适合装配在无线麦克风上!

  电容式麦克风具有上述绝佳的特点,成为音响工程专家及演唱高手的最爱,而无线麦克风在舞台演唱或在家里唱卡拉OK,已经成为当今世界的趋势,无线麦克风因本身可以提供电容式音头所需的偏压,而拥有电容式麦克风的全部优点,成为数字音响时代,专业音响行家梦寐以求的最佳麦克风。

  麦克风工作原理解析

  话筒根据工作原理的不同可分为:动圈麦克风(dynamic Microphone)、电容麦克风(Condenser Microphone)和铝带式(Ribbon)。那么它们之间有什么区别?工作原理又是怎样的?大家请往下看。

  动圈话筒的原理:话筒头里的振膜带动线圈振动切割磁力线产生电信号,通过话筒线传递给下一级设备,动圈麦克风结构简单、结实耐用、价格较低,对使用环境的要求不高。但是灵敏度不够高,高频响应不足,音色不够细腻。动圈话筒的灵敏度不够高,和电容话筒相比不能够拾取到更多的细节,但是同样也不容易拾取到环境噪声,不容易产生回授和啸叫。一般在舞台上演出或者KTV里面的用的都是动圈麦克风,而且动圈麦声压级大,非常适合用于架子鼓的拾音。麦克风电路图,工作原理解析

  电容麦克风的原理:电容麦克风用一张极薄的金属振膜作为电容的一级,另一个距离很近的金属背板(零点几毫米左右)作为另一极,这样振膜的振动就会造成电容容量的变化形成电信号。由于振膜非常薄,所以很微小的声音也能使其振动,所以电容话筒非常灵敏,电容话筒最大的特点就是灵敏度高,拾取的细节丰富,频响曲线平直宽广,所以在录音棚里良好安静的声学环境下能发挥出令人满意的效果。而在普通的环境下就很容易拾取到环境的噪声,比较适合用在录音棚、安静的房间里录音。

  铝带麦克风的原理:铝带麦克风它的拾音部分是一根250px左右长,3mm左右宽,2-5um厚的一根经过退火处理的铝带,这条铝带放置于强磁场中。当声音使得铝带震动时,铝带切割磁感线产生微弱电流,在经过预处理放大电路的放大(一般是变压器)就转化为声音了,铝带话筒制作工艺复杂,因此价格也不菲。但是在专业的录音室也会见到铝带话筒的身影。铝带话筒有良好的8字形指向性,即在话筒的正前和正后方都能拾音,因此适合合唱等场合的录音。在早年间,铝带话筒严禁使用幻象电源,因为这样做会损坏振膜。但是现在的铝带话筒的预放大电路中允许使用幻象电源做为预放大电路的供电,保险起见,在使用铝带话筒前,请务必阅读说明书。

  三种无线话筒典型应用电路图分析

  单声道调频发射电路

  图1是较为经典的1.5km单管调频发射机电路。电路中的关键元件是发射三极管,多采用D40,D5O,2N3866等。工作电流为60--80mA。但以上三极管难以购到,且价格较高,假货较多。笔者选用其他三极管实验,相对易购的三极管C2053和C1970是相当不错的,实际视距通信距离大于1.5km。笔者也曾将D40管换成普通三极管8050,工作电流有60--80mA,但发射距离达不到1.5km,若改换成9018等,工作电流更小,发射距离也更短, 电路中除了发射三极管以外;线圈L1和电容C3的参数选择较重要,若选择不当会不起振或工作频率超出88--108MHz范围。其中L1,L2可用0.31mm的漆包线在3.5mm左右的圆棒上单层平绕5匝及10匝,C3选用5-20pF的瓷介或涤纶可调电容。实际制作时,电容C5可省略,L2上也可换成10-100mH的普通电感线圈。若发射距离只要几十米,那么可将电池电压选择为1.5-3V,并将D40管换成廉价的9018等,耗电会更少,也可参考《电子报》2000年第8期第五版(简易远距离无线调频传声器)一文后稍作改动。图1介绍的单管发射机具有电路简单,输出功率大,制作容易的特点,但是不便接高频电缆将射频信号送至室外的发射天线,一般是将0.7--0.9m的拉杆天线直接连在C5上作发射的,由于多普勒效应,人在天线附近移动时,频漂现象很严重,使本来收音正常的接收机声音失真或无声。若将本发射机作无线话筒使用,手捏天线时,频漂有多严重就可想而知了。

  图2为2km调频发射机电路。本电路分为振荡、倍频、功率放大三级。电路中V1、C2--C6、R2、R3及L1组成电容三点式振荡器,其振荡频率主要由C3、C4和L1的参数决定,其振荡频率为44~54MHz,该信号从L1的中心抽头处输出,再经过C7耦合至V2放大,由C8和L2选出44~54MHz的二倍频信号,即88-108MHz,,此信号由C9耦合至V3进行功率放大,V3由3只3DGl2三极管并联组成,可扩大输出功率。该电路正常工作时,电流约80-100mA。组成V3的三只3DG12可加上适当的散热片,以防过热。制作时L1~L3用0.31mm漆包线在直径3.5mm圆棒上单层平绕。

  图3为晶振式发射机典型应用电路图。电路中J.、VD1、L1、C3~C5、V1组成晶体振荡电路。由于石英晶体J的频率稳定性好,受温度影响也较小,所以广泛用于无绳电话及AV调制器中。Vl是29~36MHz晶体振荡三极管,发射极输出含有丰富的谐波成分,经V2放大后,在集电极由C7、L2构成谐振于88-108MHz的网络选出3倍频信号(即87~108MHz的信号最强),再经V3放大;L3、C9选频后得到较理想的调频频段信号。频率调制的过程是这样的,音频电压的变化引起VD1极间电容的变化;由于VD1与晶体J串联,晶体的振藩频率也发生微小的变化,经三倍频后,频偏是29-36MHz晶体频偏的3倍。实际应用时,为获得合适的调制度,可选择调制频偏较大的石英晶体或陶瓷振子,也可以采用电路稍复杂的6-12倍频电路。若输入的音频信号较弱;可加上一级电压放大电路。

  由于1.5km调频发射机(见图1)采用电容三点式振荡器,天线参数稍微变动时,都将发生跑频现象,再则,由于是单管自激振荡发射,工作电流较大,当工作数秒钟至数分钟后,三极管的温度升高引起极间电容发生变化,也会带来振荡频率的改变(一般情况下是振荡频率降低),有时频漂竟达0.2--1MHz。用作调频广播或远距离遥控报警时工作可靠性较差,但元件少,成本低,调试容易,适合初级爱好者作发射实验。

  麦克风如何工作

  它是由金属隔膜连接到针上,这根针在一块金属箔上刮擦图案。 当您朝着隔膜讲话时,产 生的空气压差使隔膜运动,从而使针运动,针的运动被记录在金属箔上。随后,当您在金属箔 上向回运行针时,在金属箔上刮擦产生的振动会使隔膜运动,将声音重现。这种纯粹的机械系 统运行显示了空气中的振动能产生多么大的能量!

  所有现代的麦克风与最初的麦克风需要完成的事情都并无二致。只不过就是以电的方式, 代替了机械方式。麦克风将空气中的变动压力波转化成变动电信号。有五种常用技术用来完成 此项转化:

  碳

  最古老最简单的麦克风,使用碳尘。历史上第一部电话就使用此项技术,如今在某些电话 中仍在使用。在碳尘的一侧有很薄的金属或塑料隔膜。当声波击打隔膜时,它们压缩碳尘,改 变电阻。通过给碳通电,改变了的电阻会改变电流大小。有关更多信息,请参见电话工作原理 。

  动态

  动态麦克风利用电磁效应。当磁体通过电线(或线圈)时,磁体在电线中感应出电流。在 动态麦克风中,当声波击打隔膜时,隔膜会移动磁体,此运动产生很小的电流。

  带状

  在带状麦克风中,一个薄的带状物悬挂在磁场中。声波会移动带状物,从而改变流经它的 电流。

  电容器

  电容器麦克风实际上是一个电容器,其中电容器的一极响应声波而运动。运动改变了电容 器的电容,这些改变被放大,从而产生可测量的信号。电容器麦克风通常使用一个小的电池, 为电容器提供电压。

  晶体

  某些晶体改变形状时会改变它们的电属性(要了解此现象的一个例子,请参见石英表工作 原理)。通过将隔膜连接到晶体,当声波击打隔膜时,晶体将产生信号。

  结语

  关于麦克风的相关介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。

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