一種心形指向性拾音器實例分析

焦 峰 李玉驄

1.威泰視訊設備（中國）有限公司

2.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院

一種心形指向性拾音器實例分析

焦 峰1李玉驄2

1.威泰視訊設備（中國）有限公司

2.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院

文章簡要敘述了一種電容式駐極體在拾音器電路的應用及降噪方法，并介紹了一種實際的心形指向拾音器。由于實際的拾音電路容易受到外界的電磁干擾，為了解決這種問題，作者對拾音器采用了一些電磁屏蔽措施，效果十分理想。

電容式駐極體;降噪;金屬編織網

前言

拾音器俗稱話筒或麥克風(Microphone) ,是一種將聲波轉為電信號的換能器。傳聲器是錄音棚、電影電視錄音、音樂語言擴聲和通信設備拾取語言信號必不可少的電聲器件。為保證錄擴系統整體的聲學質量，作為音響、錄擴聲系統第一環節的拾音器肩負著重任。而拾音器的水平也必然隨著擴聲系統水平的提高而不斷提高。

目前市場上多數拾音器主要使用電容式駐極體，以下首先介紹電容式駐極體。

1 電容式駐極體工作原理

電容式駐極體是在一種特殊的有機薄膜上蒸上一層很薄的金屬作為一個電極( 振膜) ，與另一極（后極）組成一個平板電容器。當振膜在聲波作用下產生振動時，兩極之間間隙發生改變，電容量隨之發生相應變化。當電容器兩極之間加上恒定直流電壓時, 振膜的振動使平板電容的容量發生變化，極板上的電荷量就會隨之變化。變化的電荷流過外負載電阻，在電阻上會產生一個與聲波同規律的電壓降，這就實現了聲能-電能之間的轉換。

通過阻抗非常高的場效應管將電容兩端的電壓取出來，進行放大，就得到和聲音對應的電壓。場效應管是有源器件，需要一定的偏置和電流才可以工作在放大狀態，因此，駐極體話筒都需要施加一個直流偏置方可工作。電容式駐極體的振動部件是一個非常薄的有機膜, 所以電容駐極體性能一般都可做得很好。

2 電路設計

在錄擴聲系統中, 拾音器處于系統的第一環節，與前置放大器連接。描述拾音器電聲性能的客觀主要指標有：輸出阻抗、靈敏度、靈敏度頻率響應、指向性特性、失真限制下的最大聲壓級和等效噪聲級等。

針對具體型號的參數設計，本文作者采用松下（Panasonic）WM系列電容式駐極體，設計了一種高保真拾音器，以下介紹該電路的設計和分析。

2.1 電容式駐極體參數分析

從駐極體廠商提供的資料（見圖1）可以看出，WM系列產品在400赫茲以下的低頻衰減明顯，因此需要對WM系列產品做低頻補償。

圖1 電容式駐極體的頻率響應曲線

2.2 電源電路

拾音器采用幻象供電，對電源利用率提出較高要求。作者采用了寬電壓范圍（11V～52V）幻象供電設計，以滿足更多使用環境。圖2為電源原理圖。其中C1、C2為旁路電容，濾除高頻干擾；Q3、R3、R4構成恒壓電路，以滿足幻象供電電壓在較大幅度范圍內變化。為保證放大電路和駐極體供電電壓在較小范圍內變化，一般拾音器幻象供電電壓為48V，其中C4需要高耐壓電容。

對電路用Multisim進行仿真，11V供電時，VCC=7.3V；52V供電時，VCC=8.3V；48V供電時，VCC=8.2V。

圖2 電源部分

2.3 放大電路

電源處理電路為放大器提供單電源供電，因此放大器需偏置電路。如圖3。R9、R10、R12構成偏置電路；信號從駐極體經過C7耦合（C7需選用高質量CBB電容）；R13者R16構成補償網絡，通過S1對固定頻段進行增強或衰減；R6、R14為75Ω，其輸出阻抗為75Ω；R7等于R11，對信號反向用于平衡輸出。根據駐極體的實際參數選擇合適的放大倍數，從而確定R5。

圖3 放大電路

2.4 使用模式

工頻衰減模式（如圖4）。利用Multisim進行仿真，對工頻干擾進行衰減，在80HZ衰減3dB，在50HZ衰減6dB，加強對此兩頻點的抑制，可以有效減少交流干擾、減低低頻噪聲干擾（如汽車引擎聲、空調系統聲）。

圖4 工頻衰減仿真圖

平直模式（如圖5）。因駐極體的固有特性，需要對其低頻進行提升，其他頻段只需放大一倍，從而滿足各頻段真實反映實際接收的信號。平直模式適合舞臺錄音等要求較高的場合。

圖5 平直仿真圖

高通模式（如圖6）。為使拾音器高頻得到增強，可斷開反饋回路中的反饋電容C8。在放大電路中增加反饋電容以消除自激振蕩帶來的不穩定，而去掉反饋電容則可使高頻信號得到增強。高頻信號豐富可使語音清晰，有利于提高監聽系統的性能。

圖6 高通仿真圖

2.5 指示電路

在擴錄音使用中，人們關心聲音是否被記錄。為便于在無監聽情況下使用，作者設計了實時反映音量和聲音有無的指示燈。拾音器中增加了亮度隨聲音強度變化的指示燈。輸出信號MIC與參考電壓V1進行比較，比較器輸出PWM控制LED燈的亮度（如圖7）。因比較器負載能力較弱，所以需在輸出端D1加OC門以增強負載能力，驅動LED。

圖7 比較電路

2.6 器件選擇

擴錄聲系統中，前級電路比后級電路對系統效果影響更大。因此放大器需選擇低噪聲、低功耗放大器，電阻選擇噪聲低的金屬膜電阻。

2.7 測試曲線

心形指向是指在0°到60°區域內接收靈敏度無明顯改變，頻響曲線基本平直。圖8是拾音器在規定條件下的靈敏度和頻率的關系曲線。

3 電磁干擾屏蔽措施

實際應用中，手機信號是拾音器常面臨的電磁干擾之一。手機信號會串入拾音器，導致擴路聲系統中發出“茲茲”的干擾聲，此現象在手機接通期間尤為明顯。拾音器是該種干擾聲最初的產生環節，經逐級放大，最終導致擴聲系統這種干擾聲問題。因此有必要針對拾音器進行手機信號屏蔽處理，且這種防屏蔽措施需裝配操作方便、成本合理。

3.1 金屬編織網的電磁屏蔽特性

對比基本電磁參數相同的屏蔽薄膜與金屬編織網的屏蔽效能SE，可以清楚地了解金屬編織網的電磁屏蔽特性。設TEM波垂直入射在無限大厚度為d的薄膜材料上，其屏蔽效能公式為：

f,c分別是入射波頻率和真空中光速?？煽闯? 薄膜材料SE的頻率特性是：存在頻率過渡區域，當f在這個區域以下時，SE基本不顯示頻率依賴性；f在這個區域以上時，SE和lgf近似有簡單線性關系SE=algf+b (a>0,b<0)。頻率過渡區域的中心隨d和σ的增加而降低。對比計算結果可發現，金屬編織網和薄膜材料對電磁能量屏蔽的相同點是：兩者都存在頻率過渡區域，f在這個區域以下時，SE幾乎不顯示頻率依賴性；f在這個頻率以上時,SE和lgf存在簡單線性關系。不同點是：薄膜材料的SE 隨頻率的增加而升高，金屬編織網SE 隨頻率的增加而降低。當l=d、電磁參數相同時，薄膜材料的SE要比金屬編織網高。圖9為金屬編織網的示意圖。

圖9 金屬編織網示意圖

3.2 縫隙處電磁屏蔽處理

結構件在制造時做開槽處理，以便于放置電磁密封襯墊。選擇電磁密封襯墊時要考慮幾個因素：屏蔽效能要求、有無環境密封要求、安裝結構要求和成本要求。導電橡膠是在硅橡膠內填充占總重量70%～80%的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀玻璃球等，是制作電磁密封襯墊的理想材料。

3.3 注意事項

金屬屏蔽體應良好接地。靜電屏蔽使屏蔽體外側的感應電荷流入大地，而不會有感應電場存在。對于交變電場屏蔽，交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓取決于交變電場電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。因此使金屬屏蔽體良好接地，就可使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。金屬屏蔽體接地不好，屏蔽效果會下降。

4 結語

實際使用中，拾音器采用標準三芯XLR接口。利用模式選擇開關，進行頻率高通或低通選擇。通過上述設計和考慮，實際完成的拾音器聲學效果十分理想。最終的拾音器成品，既適用于舞臺、錄音棚等高音質需求的環境，也適用于會場、多媒體教室、車載免提電話等嘈雜背景下的環境。

設計和處理好單個拾音器的效果，為后續其他拾音器設計和應用（如拾音器陣列等）打下良好基礎。

模擬拾音器雖增加了降噪、抑制干擾等措施，但無法從根本上濾除噪聲信號，而數字拾音器在處理手段方面更為靈活。顯然與模擬拾音器相比，數字拾音器有較大優勢，但數字拾音器成本更高。

[1]童詩白.模擬電子技術基礎,第三版. 高等教育出版社

[2]王錦成.電磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究現狀.化工新材料,2002 30（7）

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.054