电声学及其相关技术

电声学及其相关技术 电声学是一门研究电声换能原理 技术和应用的科学 除了包括再生声源 如扬声器 和声接收器 如传声器 外 还有录音系统 放声 扩音 系统及声测量与分析系统设备 电声学的基本研究内容则是电声换能器 一 电声学的研究内容及其在录音中的作用 一 电声学的研究内容及其在录音中的作用 在电影 电视等一类视听艺术及广播 剧 唱片等一类听觉艺术的录音创作中 对原声源进行必要的加工处理 或称 增优 处理 以满足艺术构思的要求是必不可少的 如 录音剪辑 将声信号转变为电信号无疑为满足这一要求提供了更加广阔的前景 二 电声换能器与电声测量技术应用 电声换能器的一般原理电声换能器是一种能将电能转换为声能 如扬声器 或将声能转换为电能 如传声器 的一类装置 光学中有光电传感器 光敏二级管 电振荡理论中 有三种基本电元件 电容 电感和电阻 电阻元件上的电变化不可能产生机械力 不可能通过电阻元件实现机电转换 一般转化为热能 在储能元件上出现的电变化则将产生机械力 通过电容型或电感型元件进行机电转换是可能的 二 电声换能器与电声测量技术应用 电声换能器的一般原理电声换能器按其机电换能原理分为电感型换能器和电容型换能器两大类 电声换能器可以近似地看作由集总元件组成的简单振动系统 对应于集总参数系统 按功能分传声器和扬声器 电声系统组成 声接收器 如传声器 录音系统 放声 扩音 系统 扬声器 一 传声器 传声器俗称话筒 也有人称之为麦克风 MICROPHONE 又称麦克 MIKE 它是录音中拾取声信号 并将声信号转换为电信号的基本器件 对于自然声源而言 它不仅是进行拾音的基本条件 而且还是 音质加工处理 的一种方法 一 传声器的分类 1 按换能原理的类型分类传声器的种类很多 按换能原理可分为电动式 静电式 电磁式 压电式传声器 电动式传声器又分为动圈式与铝带式 静电式传声器又分为电容式 驻极性体式和电压式 2 按指向性类型分类传声器按指向性类型分为全向 单向 心形 超心形 超指向和双向 3 按使用方式分类有线传声器无线传声器 二 常用传声器的组成与原理 动圈传声器 DynamicMicrophone 电容传声器 CondenserMicrophoneCapacitorMicrophone 无线传声器驻极体传声器 1 动圈传声器 1 动圈传声器 工作原理 当人对着话筒讲话时 膜片就随着声音前后颤动 从而带动音圈在磁场中作切割磁力线的运动 根据电磁感应原理 在线圈两端就会产生感应音频电动势 从而完成了声电转换 为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗 还需装置一只升压变压器 1 动圈传声器 特点 结构简单 稳定靠 使用方便 固有噪声小 被广泛用于语言广播和扩声系统中 但缺点是灵敏度较低 频率范围窄 2 电容传声器 工作原理 当膜片受到声波的压力 并随着压力的大小和频率的不同而振动时 膜片极板之间的电容量就发生变化 与此同时 极板上的电荷随之变化 从而使电路中的电流也相应变化 负载电阻上也就有相应的电压输出 从而完成了声电转换 因为极头的电容量非常小 阻抗很高 不能用电缆线直接引出 需要一个前置放大器紧接在极头后面作阻抗变换 2 电容传声器 电容传声器一般由极头 前置放大器和极化电源三部分组成 特点 灵敏度较高 频率响应平坦 瞬态特性好 音质较好 一般用于高质量的广播 录音中 也用于测试传声器 3 无线传声器 无线传声器系统是由微型无线传声器 微型发射器和接受器组成的 其工作原理是 传声器把声音信号转变成电信号 通过小型发射器调制成高频信号以电磁波形式从天线辐射出去 再由小型接收器接收还原成声频信号 工作频率主要是采用特高频 VHF 或超高频 UHF 即30MHz 950MHz 辐射功率选取的原则是既保证有一定的传播距离 又不干扰其他通信设备 当两套无线话筒一起使用时 频率要错开 以减少相互干扰 3 无线传声器 三 传声器的技术特性 灵敏度输出阻抗频率响应动态范围方向性 1 灵敏度 传声器在声电转换过程中将声压转换为电压的能力 传声器的灵敏度用dB值表示 称为灵敏度级 一般动圈式传声器的灵敏度级约为 60 70dB 电容式传声器约为 40 50dB 2 输出阻抗 传声器的阻抗分高阻抗与低阻抗 专业传声器一般都采用200 600 的低阻抗 高阻抗的阻值为20 50k 高阻抗传声器容易被噪声干扰 传声器馈线不宜过长 阻抗匹配传声器的输出阻抗要与调音台 扩音机等设备的输入阻抗相匹配 传声器的输出阻抗与调音台的输入阻抗相等时 传输功率最大 但失真也较大 为了保证传声器的正常工作 要求调音台的输入阻抗应大于或等于传声器输出阻抗的5倍 传声器 调音台 3 频率响应 传声器的频率响应是表征传声器对不同频率声波的灵敏度 传声器的理想频率响应曲线要较为平坦 使人而能听到20 20kHz范围内的声音 4 动态范围 传声器的动态范围是指传声器在可以允许失真限度内 0 5 能够传输有用音量的范围 超近距离拾音时 选用宽动态范围的传声器 5 方向性 四 传声器的选择 在需要高质量的播音和录音时 可选用电容式传声器 在作一般语言扩声时 可用动圈式传声器 作流动宣传时也宜用动圈式传声器 在环境噪声较大时 可选用方向性强的传声器 当要求用在收录机的机内或放置在隐蔽场合使用时 最好选用驻极体传声器 五 传声器的使用与维护 与音响设备的特性相匹配各种插接件要牢固可靠使用音频屏蔽传输线传声器位置附近不应有大的反射面 并安放在音箱的后面 声源的方向与距离近讲话筒与嘴的距离在1 20cm 讲演时 为了提高清晰度 宜在20 30cm左右 防风 防震 防潮防风罩 减震装置 不许用吹气和敲打传声器的方法试音 电容传声器尤其注意防潮 六 无线传声器的使用要点 接收机的天线尽量要与发射机近一些 其间最好没有障碍物 尤其要避开金属结构 通风管道等金属框架 避开盲点区 同时使用无线传声器不要过多 一般不超过4只 更换电池 调音台哑音或关死接收器的输出音量 动圈传声器大振膜电容传声器电容式界面传声器 二 扬声器 扬声器是把电能转换成声音的一种器件 根据构造不同 扬声器可分为电动式 电磁式 压电式等几种 教学中最常使用的是电动式扬声器 一 扬声器原理 1 电动纸盆式扬声器2 电动号筒式扬声器 1 电动纸盆式扬声器 磁路系统由环形永久磁铁和软铁组成 磁场集中在缝隙处 振动系统由带音圈的纸盆组成 弹性片把音圈固定在磁隙的正中 当音频电流通过时 音圈在磁场力的作用下 带着纸盆运动 发出声音 纸盆扬声器的口径 是影响扬声器发声的频率范围 以及所能承受之最大功率的主要因素 一般来说 扬声器纸盆口径越大 低音就越丰富 最大发声功率也越大 2 电动号筒式扬声器 磁路系统由永久磁铁和软铁组成 磁场集中在缝隙处 振动系统主要由带音圈的振动膜组成 音频电流通过音圈时 受磁场力作用 音圈便带动振动膜运动 从而使周围空气发生振动 因发音头前面装有助音筒 能使空气共振 产生宏亮的声音 二 音箱 1 音箱的类型和特点 按用途分 扩声音箱 演出用音箱 监听音箱 扩声音箱 大功率 宽频带 高声级 高频单元采用号角式扬声器 组合式音箱或分频式音箱 监听音箱 供录音师 音控师监听节目用的音箱 具有极高的保真度和很好的动态特性 不对节目做任何修饰和夸张 真实反映音频信号原来的面貌 一般不具备扩声音箱的功率承受能力 灵敏度以及恒指向性特性 按音箱结构分 密闭式音箱 倒相式音箱 号筒式音箱 密闭式音箱 箱体完全封闭 扬声器北面的声波与扬声器的前方完全隔绝 倒相式音箱 效率高 箱体较小 设计比较复杂 号筒式音箱 在扬声器纸盆的前面或后面加木质号筒音箱 按体积分 落地式音箱 书架式音箱 2 AV音箱 AV音箱是指专门为电影音响系统设计制作的音箱 家庭影院常用 AV专业音箱一般由主音箱 L R 中置音箱 环绕声音箱 L R 扩展音箱 L R 低音音箱 放置在电视机附近的AV音箱还需要有防磁功能 主音箱 主要用来播放电影中的效果声和音乐 因此要有较宽的频响和较小的失真 动态范围大 声音刚劲凌厉 中置音箱 主要用来播放电影中的人物对白和中间音响效果 要求音质清晰自然 环绕音箱 放在听音室的后方 用以模拟环境声场中的反射声和混响声 扩展音箱 主要应用于与投影电视配合的AV音响系统 一般放在影幕两侧 以扩展前方声场的宽度 超低音音箱 用于播放300Hz以下的低音和超低频 因为人类的耳朵对于低音的方位是不敏感的 即低音基本没有方向性或指向性不强 所以低音炮可以随便放在房间任何一个部位 没有隔音设施 不宜采用 杜比AC 3环绕声对AV音响的要求 4声道杜比定向逻辑环绕系统 由于技术原因 环绕声道的频响范围只有100 7000Hz 杜比AC 3提供了全频带的5声道信号和1路独立的重低音信号 全频带是指5声道均可重放20Hz 20kHz的全频带信号 一般采用5个完全一样的音箱组成AC 3影院系统 重低音音箱价格较高 可根据条件选择 3 多媒体音箱 有源音箱 的摆放 一般多媒体音箱的低音炮所含括的低频范围上限至少为300Hz 甚至3000Hz 不少低频中较高频率的声音是从低音炮中发出来的 所以建议将低音炮摆放在电脑桌下 显示器的正下方位置 即聆听者正前方和前置声道同一条线的地面上 如此才能获得较好的效果 一对主音箱面向聆听者一字排开 摆放在显示器两侧 两音箱之间的距离应当在1 5 2米为宜 注意音箱应与后墙 侧墙相隔一定距离 20 50厘米以上 对于环绕音箱 一般建议摆在聆听者主座位置的左右两侧 以面对面方式架设 架设高度约高出聆听者坐姿时头部以上60 90公分处 将其挂在聆听者左后和右后180CM高的墙上 这样有助于减少定位效果的影响 一般来说 最好与用户中轴线对称 与用户的距离不超过1 5米 对于中置音箱 可将其摆放在显示器的上方或显示器前的桌面上 要求它与前方的两个主音箱面向聆听者一字排开 可在同一平面上且高度尽可能相同 也可将中置音箱稍稍后移一些 但其正面仍与前置主音箱正面平行 三 扬声器的技术特性 灵敏度 在音箱输入端加上额定功率为1W的电信号时 在参考点1米处产生的声压级 单位用dB表示 相同条件下 灵敏度高的音箱听起来声音较大 但灵敏度过高会导致动态范围下降 扬声器的灵敏度分布在70 115dB 专业音箱一般为98 110dB 功率 最大额定功率 使用时注意不应超过该值的2 3 最小推荐功率 小于该功率时 音箱无法工作 标称阻抗 16 8 6 4 国内主要是8 频率响应 音箱发出的声压在有效频率范围内的变化 辐射特性 表示扬声器向各个方向辐射声波的均匀程度 四 扬声器的使用与维护 正确选择扬声器的类型 扬声器的输入功率不要超过额定功率 与扩音机的阻抗要匹配 扬声器的相位要一致 立体声放音时 应该分开适当的距离 音箱使用环境应防高温 干燥 需要通风 音箱要远离磁场 音箱上面不要放东西 连线要短 清洁维护 三 扩音机 扩音机是用来将微弱的电信号放大成具有一定电功率的音响设备 它把来自传声器 电唱机 激光 CD 唱机 录音机和收音机等的音频信号加以放大 推动扬声器发出声音 一 扩音机的原理 前置放大级 包括话筒放大 混合 电压放大等电路 它们共同的作用是把微弱的电信号放大到具有一定的电压振幅 以推动后面各级工作 推动级 包括推动 倒相等电路 在一些较小功率的扩音机中 只有倒相级 而在较大功率的扩音要中 都有功率推动级 以供给最后功率放大级所需要的推动功率 功率放大级 扩音机中多数都是推挽放大 将前面各级送来的信号放大到具有一定的电功率 收信部分 用来接收无线电广播 电源供给部分 用来供给设备所需的各种交流和直流的电压和电流 二 扩音机的主要性能指标 1 输出功率标注的功率为额定输出功率一般不允许输出功率超过额定功率 最大输出功率是指在不过载或谐波失真不超出某规定数值的情况下 扩音机能输出的最大功率 它是衡量扩音机最大输出能力的指标 一般应达额定功率的1 2 2倍 使用功率是指扩音机和扬声器都在低失真状态下工作的平均使用功率 以欣赏音乐为主的扩音机 使用功率时常只使用到最大输出功率的十分之一以下 2 频率特性 它表示扩音机的增益与信号频率的关系 是扩音机的一项重要指标 要求扩音机对这些不同频率的电信号要能做大小相同的放大 才能保证复杂信号经过放大器后 不致出现失真 3 输入灵敏度 扩音机输出额定功率时所需要的输入信号电压叫做输入灵敏度 如灵敏度低 则正常输入信号时 扩音机就达不到额定功率输出 4 谐波失真 是由放大器放大信号时的非线性引起的 普及型扩音机的失真度在5 10 高保真的扩音机则可在较宽的频率范围 如40 1600Hz 做到小于1 5 信号噪声比 当把一个输入信号加给放大器输入端时 输出端信号中即混有噪声信号 我们把输出信号电压与输出的噪声电压之比叫信号噪声比 简称信噪比 三 扩音机的使用与维护 1 电源电压与规定的工作电压相符 2 扩音机使用前应接好保护地线 3 扩音机只有在接好负载后 才可以打开电源 4 音量控制钮平时应放在最小位置 使用时缓缓开大 关闭扩音机的电源时应将扩音机的音量调到最小位置 5 合理配接扩音机同扬声器 6 注意扩音机的保养 长期不用的扩音机应定期通电 7 扩音机使用时最适合的音量位置为为最大音量的2 3 8 使用时注意保持话筒与扬声器之间的距离和方位 防止啸叫 9 扩音机应放置在通风 干燥的地方 10 如发现故障 关机检查 四 扩音机和扬声器的配接 1 定阻抗输出式扩音机的配接功率匹配原则 要求所接扬声器的额定功率总和略大于或等于扩音机的额定输出功率 阻抗匹配原则 扬声器连接好以后 负载总阻抗应等于扩音机的输出阻抗 功率分配平衡原则 不管扬声器如何连接 每只扬声器的实得功率不得超过它的额定功率 2 定电压输出式扩音机的配接只要扬声器实得功率总和不超过扩音机的额定输出功率 就可以像接并联灯泡一样 把扬声器一个个并联接到扩音机的输出线上 此时要考虑的 主要是扩音机的输出电压和扬声器的承受电压 四电声测量技术应用 一 立体声技术所谓立体声 可以理解为是一种借助于双耳听觉特性 通过特定的重放空间信息的声频系统而获得的一种空间印象的感觉 一般地说 它应包括水平方向感 深度感 或称距离感 和高度感 这一声频系统是由若干传声器 传输通路和扬声器组成 通常称为立体声系统 1 人工头立体声拾音方式采用这种拾音方式应有一模拟人头的人工头 一对体积很小的全向 电容 传声器分别放置在人工头的左