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干货!如何选择指向性最合适的传声器(下)

4  指向特性是如何形成的

传声器振膜后方设置不同类型的气孔、气管和阻尼材料,通过这种方式可以使传声器对来自不同方向的声音的响应发生变化。

全指向传声器(电容或动圈)只在振膜前端采取开放式设计,因此,振膜只对来自外界的压力产生响应。从所有方向到达振膜前端的声波压力都是相等的,因此,对于从任意角度到达振膜前端的声音信号来说,传声器的输出电压是相同的,也就是说,传声器对来自所有方向的声音信号具有相同的响应特性。但是,在高频部分全指向传声器的指向特性会变成双指向,这是由于对于声波的高频部分来说传声器本身就是一个障碍物。

与之相反,单一指向传声器(电容或动圈)在振膜的两侧都采用开放式设计。振膜通过其正反两面的压差驱动。在振膜的后端入口带有一个声学相位偏移网络(RC或RLC低通滤波器)。这个滤波器在其拐角频率以下会产生一个恒定的延时。这个恒定的延时就是使传声器产生单一指向特性的原因:声波不但从前端挤压振膜,同时也从后端入口挤压振膜,声波到达前端和后端的时间差异和后端入口处的相位偏移网络会产生相位偏移。因此,振膜同时受到到达前端的声波以及经过相位偏移的后端声波挤压,见图10。由于相位偏移在振膜正反两侧产生的瞬时压差驱动振膜进行振动。

从后方传来的声波通过两个路径到达传声器的振膜位置:①绕过传声器腔体后到达振膜前端入口,②通过后端入口和相位偏移网络。声音信号被加入了由于声波辐射需要绕过传声器腔体所产生的外部延时和相位偏移网络产生的内部延时。

在心形指向传声器设计中,内部延时被设置为与外部延时相等,因此,声波同时到达振膜前端和后端。由于从前方传来的声波和从后方传来的声波极性相反,因此产生抵消现象,从而使得从后方传来的声波不会产生或产生非常小的输出电压。这就是心形指向传声器隔离后方声音信号的原理。

相位偏移网络仅对中高频以下的频段起作用。对高于中高频段的声音信号来说,传声器腔体本身就是一个物理上的障碍物,可以对来自后方的高频信号进行隔离。通过外部延时和内部延时的比例调整(通过调整声波入口的空间尺寸和声学优化),可以形成其他类型的指向特性。每一种指向特性都有一个特定的角度,在这个角度上两个延时相等(产生抵消)。双指向传声器的最佳抵消角度在侧面(偏离轴向90o),心形指向传声器的最佳抵消角度在后端(180o),混合心型指向传声器的最佳抵消角度为110o。

一般来说,传声器的指向特性可通过下列等式计算得出:

通过上面的等式可以得出以下结果:

需要注意的是,对于双指向传声器来说A = 0,因为这一类型的传声器没有相位偏移网络;对于全指向传声器来说B = 0,因为这一类型的传声器振膜的后端位于密封舱体。对于心形指向传声器来说,A/B = 1。

5  全指向传声器的优势

全指向传声器的优势使其在常规应用场合成为第一选择。由于结构简单(没有后端入口或相位偏移网络),全指向传声器的价格通常会低于指向性传声器,并且能够提供更为平滑的频响曲线。此外,全指向传声器对机械噪声和pop噪声的灵敏度比单一指向传声器低15 dB~20 dB。原因在于,全指向动圈传声器的共振频率大约在500 Hz~1 000 Hz范围内,并有针对性地采取了大幅度阻尼衰减处理;而单一指向传声器的共振频率大约在150 Hz,并且阻尼衰减处理幅度较小,因此,低频机械冲击较容易导致振膜振动。

对任何尺寸的全指向电容传声器来说,振膜部分的刚度都被控制在共振频率之下(通常来说在8 kHz~10 kHz)。振膜的速率在到达共振频率之前都保持每倍频程提升6 dB的特性,见图12。由于振膜位移产生的是层速度,因此振膜位移幅度在低于共振频点时与频率变化为恒定关系。输出电压与振膜位移呈正比,因此在低于共振频点时输出电压也与频率变化保持恒定关系。  

换句话说,全指向电容传声器在低于共振频率的频段能够提供平滑的频响曲线(有意对低频进行滚降处理除外),这一特性是所有尺寸规格的传声器的共性(尽管对于扬声器来说,较小的尺寸意味着低频响应受到限制,但即使是微型全指向传声器,也可以在低至约20 Hz的频段内提供平滑的频响曲线)。图13所示为一个微型全指向电容传声器的振幅/频率响应曲线。

与之相反,采用指向性设计的传声器通常在低频部分出现滚降的趋势,特别是当距离声源只有几英尺时。这是因为,采用指向性设计的传声器振膜依靠振膜前端和后端的压差来驱动。对于声波中的低频部分来说,在振膜前端和后端形成的压力同相。由于作用于振膜两侧的瞬间压力几乎相等,因此,振膜的振动幅度非常小,也就意味着输出电压非常低。

此外,全指向传声器相对于单一指向传声器来说,在离轴区域的声染色程度较低。全指向传声器在离轴方向出现声染色的表现为在高频部分出现滚降。振膜尺寸越大,高频能量滚降幅度越大。单一指向传声器的离轴区域声染色,除了同样具备高频滚降的特征,还会在整个频响范围内出现波峰和波谷。这是由于到达振膜前端和后端的声波之间的相位关系与频率变化不一致所导致的。