浅谈驻极体麦和MEMS麦、动圈话筒

工程师谭军 发表于 2018-10-07 11:29:00 收藏 已收藏
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浅谈驻极体麦和MEMS麦、动圈话筒

工程师谭军 发表于 2018-10-07 11:29:00
  动圈话筒
 
  动圈话筒(动圈式麦克风)(moving-coil microphone 【工程声学】动圈式话筒,动圈式传声器)是把声音转变为电信号的装置。动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的,当声波使膜片振动时,连接在膜片上的线圈(叫做音圈)随着一起振动,音圈在磁场里振动,其中就产生感应电流(电信号),感应电流的大小和方向都变化,变化的振幅和频率由声波决定,这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器,从扬声器中就发出放大的声音。
 
  工作原理
 
  当传声器接受声波时,声波产生的力量作用在振膜上,引起振膜振动,带动音圈作相应振动,音圈在磁钢中运动,产生电动势,声音信号转变成电信号。
 
  优点
 
  动圈话筒构造相对简单,因此经济耐用。它们能承受极高的声压,且几乎不受极端温度或湿度的影响。
 
  构成特点
 
  构成
 
  动圈式传声器主要由线圈、磁钢、外壳组成。
 
  特点
 
  动圈话筒使用较简单,无需极化电压,牢固可靠、性能稳定、价格相对便宜。但它的瞬态响应和高频特性不及电容式传声器。通常动圈话筒噪音低,无需馈送电源,使用简便,性能稳定可靠。主要特点包括:
 
  1、结构牢固,性能稳定,经久耐用,价格较低;频率特性良好,50-15000Hz频率范围内幅频特性曲线平坦;
 
  2、指向性好;
 
  3、无需直流工作电压,使用简便,噪声小。
 
  性能区别
 
  声学性能比较
 
  一般来讲(当然也有例外),电容话筒在灵敏度和扩展后的高频(有时也会是低频)响应方面要优于动圈话筒。这跟电容话筒需要先将声音信号转换成电流的工作原理有关。通常,电容话筒的振膜都非常薄,很容易受到声压影响而发生震动,从而引起振膜与振膜舱后背板之间电压的相应改变。而这种电压的改变接下来又会经过前置放大器的多倍放大之后,再转换成声音信号输出。
 
  当然,这里所说的前置放大器,指的是内置在话筒中的放大器,而不是我们通常所说的“前置话放”,即调音台或接口上带的那种前置放大器。由于电容话筒振膜的面积非常小,因而,其对低频或高频声音信号的响应非常灵敏。事实也的确如此。绝大多数电容话筒都能够精确捕捉到很多人耳根本听不到的声音信号。
 
  实际上,通常我们说的动圈话筒,从严格意义上讲,应该叫做“动圈式(moving-coil)”动圈话筒,因为这种话筒声音信号的产生,主要是通过与振膜紧密相连的导线线圈根据声压变化在磁场中不断运动来完成的。由于其中运动部分的体积相对较大,因而,动圈话筒在响应频率的范围(主要是高频部分)、灵敏度以及瞬时响应能力方面都比电容话筒稍逊一筹。
 
  铝带式话筒(Ribbon mICrophones)也是动圈话筒的一种。它主要是通过金属片自身根据声压变化而发生的震动,来带动磁场中电流的变化,从而最终产生声音信号的。由于金属片的面积相对振膜和线圈要小,因而,这种铝带式话筒对高频的响应能力要高于动圈式话筒,但是,还是无法和电容话筒相媲美。
 
  解决办法
 
  动圈话筒的灵敏度低于电容话筒,主要是因为它
 
  内部没有相应的电子元件来对声音信号进行放大和缓冲。因而,它们通常会比动圈话筒要求更多的增益。正是由于这一原因,动圈话筒的音质通常会随所用前置放大器的不同而发生相应的变化。不过,这在强音源条件下,一般不会引发什么不良后果,但是,如果音源比较微弱的话,问题可能就会比较严重,需要格外注意了。市场需求是产品创新的催化剂。
 
  为了解决这一问题,当前市场上也的确出现了不少直接内置有前置放大器的动圈话筒,比如BLUE推出的Ball moving-coil(动圈式话筒)以及Royer推出的R122 ribbon(铝带式话筒)等。
 
  事实证明,它们的确能够很好地同各种前置放大器相适用。由于每种话筒都有自己的独特优势和不足,因而,如果你仔细观察,就会发现,每种话筒都有自己专门的适用情境。比如,动圈式话筒通常在吉他放大器、铜管、近场鼓声以及现场人声等强音源录音环境下使用;而电容话筒则通常在自然条件下或对高频响应范围要求较高的条件下使用,例如鼓声悬顶录音、钢琴、声学弦乐器、工作室内人声录音以及管弦乐队和合唱录音等;铝带式话筒则在数字录音,尤其是打击乐器和铜管的录音过程中越来越受到关注。
 
  当然,铝带式话筒也可以用于吉他放大器、各种声学乐器以及人声等多种录音场合。最后,我想说的是,任何规则都只是参考而已,并不一定要必须遵守。尽管几乎没有人推荐我们使用动圈式话筒来对声学吉他进行录音或对鼓声进行悬吊录音,但是,如果需要,这些都是可以尝试的,因为规则是死的,而人是活的。实际上,在现实中,我们可以看到很多类似于现场人声录音使用电容话筒,而工作室内人声录音使用动圈话筒,甚至使用电容话筒来对鼓声进行近场录音的现象,而且好像都取得了不错的效果。这告诉我们,选用话筒的关键在于,看它是否能够达到自己的预期效果,而不是一味遵从那些既定的条条框框。
 
  动圈话筒有一个音圈,音圈固定在振膜上,在音圈的附近设有一个磁性很强的永久性磁铁,这一结构相当于扬声器的结构,振膜相当于纸盆。
 
  话筒在工作时,声波作用于振膜,使振膜产生机械振动,这一振动带动音圈在磁场中振动,由励磁电,音圈输出音频电信号,是声音转换成电信号。
浅谈驻极体麦和MEMS麦、动圈话筒

  麦克风的原理和构造

  驻极体麦

  麦的结构

  MIC内部设计,可以简单理解为一个电容,电容的一端是固定的,另一端是可动的,两端之间的距离和声音输入有关系,声音的大小、频率导致金属片震动产生幅度和频率的变化,在驻极体电容这边就转换为电容电荷量大小与充电快慢,在MIC输出端就表示为一个幅度和频率有随着声音输入变化而变化的电信号。内部有个共源FET的放大电路

  电路的偏置

  偏置的作用

  偏置为内部的FET提供漏极偏置,使其工作在饱和区,偏置根据MIC的参数来选,如果其工作电压是3.3V的话,偏置的选取最好为工作电压的一般(V=I*Rbias,I为其耗电流),这样放大电路的动态范围就比较好。

  偏置电阻的大小会影响麦的噪音和灵敏度,如果偏置电阻太大的话,输入电流太小,灵敏度就比较低(充放电时间慢),一般选为2.2K,或者1K。

  驻极体麦的接法

  差分

  差分接法

  伪差分接法

  伪差分接法

  将单端接接成差分,在接地线上隔了一个电容,消除地上的噪音

  单端接法

  MEMS麦

  MEMS麦是将MEMS晶片(MEMS die)和ASIC晶片封装在一起,前者是负责将声压转化成电容的,所以也叫做换能器。两块晶片是通过绑定先绑定在一起的。MEMS麦的封装上有一个声孔,将声能更好的转换成电能。

  MEMS麦封装图

  按其输出格式,又分为模拟MEMS麦和数字MEMS麦:

  数字MEMS麦的内部结构

  麦的参数解读

  灵敏度

  声压级以符号SPL表示,单位为dB,其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数,再乘以20,即:SPL=20LOG(10)[p(e)/p(ref)]

  在空气中参考声压p(ref)一般取为2*10E-5帕,这个数值是正常人耳对1千赫声音刚刚能觉察其存在的声压值,也就是1千赫声音的可听阈声压 (听觉阀限)。

  对声压级(1KHz,94dB SPL,1V/1Pa RMS)的响应。1Pa声压(1PA=10bar,1ubar为人说话时在1m处测得的声压)时的输出电压, 动圈式麦克风灵敏度约1.5~4毫伏/帕,而电容式麦克风灵敏度比动圈式高10倍左右,约20毫伏/帕。通常将1V/Pa定为0dB,所以灵敏度一般为负值(-30dB左右)。

  声压及声压级

  THD

  The ratio of the RMS sum of the harmonic distortion products in the specified bandwidth (see note) relative to the RMS amplitude of the fundamental (i.e., test frequency) output

  SNR

  A measure of the difference in level between the output response of a 1-kHz, 94 dB SPL sine wave and the idle noise output.

  Dynamic Range (DR)

  The ratio of the 10% THD microphone output level (in response to a sine wave input) and the idle noise output.

  频率响应

  麦克风在恒定声压和规定入射角声波作用下,各频率声波信号的开路输出电压与规定频率麦克风开路输出电压之比。相差正负3dB的频率范围。频响曲线越平坦就说明对各个频率的响应是一致的,就越接近真实声音。

  频响曲线

  指向性

  麦克风灵敏度随声波入射方向的变化而变化的特性称为指向性。

  输出阻抗

  指麦克风交流内阻,用频率1KHz,声压为1Pa时测得。高阻抗麦克风灵敏度有所提高,但容易感应交流声等外来干扰,电缆不宜长。舞台演出等专业用基本上都采用低阻抗不易引起干扰,电缆也可较长。


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