橢圓形傳聲器膜片對錄音音質的影響

曹 菊，孟子厚

（中國傳媒大學傳播聲學研究所，北京 100024）

音響技術

橢圓形傳聲器膜片對錄音音質的影響

曹 菊，孟子厚

（中國傳媒大學傳播聲學研究所，北京 100024）

為一款大振膜錄音傳聲器設計了一組橢圓形的振膜結構，并制作了相應的樣件。通過對橢圓形振膜、傳聲器樣件的客觀指標以及主觀音質聽感三個方面的比對分析，探究了橢圓振膜的電容錄音傳聲器與主觀音質聽感之間的關系。

傳聲器；橢圓振膜；客觀參數；主觀音質評價

目前的樂器錄音傳聲器大部分是針對打擊類樂器（如低音鼓、軍鼓等）的錄音傳聲器。從錄音傳聲器的制作來看，大多只是根據不同樂器的頻率范圍、最大聲壓級修正傳聲器的頻響曲線和調整其聲壓級范圍，之后再選擇合適的指向性等。然而，每一種樂器都有其自身的聲學特性，僅僅通過調整錄音傳聲器的某些客觀物理指標，是難以完全滿足不同的樂器錄音的。在客觀指標方面，大多相同尺寸的大振膜錄音傳聲器的電聲指標參數相差不大，但是其錄制的聲音質量的主觀聽感卻存在較大差距[1]～[2]。雖然部分客觀指標和主觀音質聽感可以通過后端電路以及效果設計得以實現，但要系統地探究這一問題，就有必要對傳聲器的內部結構進行細致分析，而在電容式傳聲器的內部結構中，振膜是傳聲器聲電轉換的關鍵部分。因此，在傳聲器的其余結構均保持不變的前提下，筆者通過改變傳聲器振動膜片分析其相應的有效振動區，探究有效振動區域為橢圓形時，傳聲器電聲指標與主觀音質聽感之間的關系，為特定的樂器錄音傳聲器的設計尋找實驗依據。

1 振膜的設計

本次實驗中選擇的傳聲器膜片的形狀是橢圓形，將橢圓的長短軸的比例按照音樂學中不同音程的協和比例進行設計。

橢圓形膜片是在常規圓形膜片的基礎上制作完成，首先按照長短軸的比例關系制作相應的繃膜環，繃膜環的線切割誤差應嚴格控制 0.05 mm以內，之后將厚度為6 μm的Mylar聚酯白膜貼在繃膜環上，再經蒸鍍金工藝生產而成[3]。實際圓形振膜有效振動直徑2a=2.794 cm，有效半徑為1.397 cm。表1是實驗用橢圓形振動膜片的參數，制作膜片的樣件如圖1所示，其中1號～13號為相應橢圓形振膜，14號為常規形狀的傳聲器振膜。

表1 橢圓形振膜的參數

圖1 橢圓形振膜片樣件

圖2 1號～6號、14號傳聲器頻響曲線

2 電聲指標測量

實驗中，用于裝配樣件傳聲器的元件規格和尺寸必須嚴格一致。測試電聲指標時，所有待測實驗用傳聲器共用一個前置放大器。同時，將組裝好的實驗用傳聲器按照振膜序號進行相應編號（1號～13號，14號為相應的常規傳聲器），實驗在消聲室中進行，通過DAAS音頻分析測試系統對實驗傳聲器樣件的頻響曲線和靈敏度級進行測量。

實驗傳聲器樣件的頻響曲線的測量結果如圖2～圖4所示。

圖2是1號～6號傳聲器以及14號常規傳聲器的頻響曲線圖。從中可以看出，隨著橢圓面積的變小，低頻部分略有衰減。與14號相比，1號和2號的頻響曲線與14號相近，幾乎無差別，因為1號和2號的橢圓有效面積比較接近圓形。其余3號～6號傳聲器與14號傳聲器相比，中高頻差異不大，但低頻有所衰減。

圖3是7號～11號以及常規14號傳聲器的頻響曲線圖。其中，7號～11號橢圓面積逐漸變小，可以看出，隨著橢圓有效面積的變小，低頻略有衰減。觀察圖3可以看出，與14號相比，7號～11號的低頻都有嚴重衰減，這很有可能是因為橢圓面積的減小而導致低頻衰減明顯增加。中頻段比較一致，高頻段的峰值較14號均有所提升，但提升幅度較小。

圖3 7號～11號、14號傳聲器頻響曲線

圖4 12號～14號傳聲器頻響曲線

表2 傳聲器的靈敏度級與橢圓有效面積的對應關系

圖4中可以看出，雖然在低頻段12與13號衰減得比較厲害，但是在中頻段幾乎無差別，在高頻段，12號的高峰峰值有明顯增加。

另外，實驗用傳聲器靈敏度級與橢圓有效面積間關系的測量結果如表2和圖5所示。

由以上數據和圖表可知，有效振動面積越大，傳聲器靈敏度總體相對越高，且傳聲器靈敏度隨著振膜有效面積增加呈線性變化。

綜上，結合頻響曲線以及靈敏度與橢圓振膜有效面積之間的變化可以看出，橢圓形振膜結構中，振膜有效面積相近的傳聲器，其靈敏度級和頻率響應都是相近的。

3 主觀音質評價

雖然實驗樣件的一些客觀參數表明，在橢圓有效面積相近的情況下，傳聲器的部分客觀參數比較一致，但也不能說明它們對錄音音質影響是一樣的。所以，下面以琵琶錄音為例，對實驗樣件進行主觀音質評價實驗[4]。

從琵琶的聲音特點、曲目類型以及錄音傳聲器對琵琶聲音錄制的影響三方面來考慮，最終選取清晰度、力度和柔和度作為評價琵琶傳聲器的3個指標；并選取具有代表性的評價曲目片段，分別是：柔和度——《琵琶語》片段、清晰度——《梁祝》片段、力度——《十面埋伏》片段。

對以上具有不同橢圓形狀振膜的傳聲器進行主觀音質評價，通過對偶比較法求得14支實驗用傳聲器的主觀音質聽感的平均偏愛度[5]。圖6～圖8分別是14支傳聲器針對不同主觀評價術語的偏愛度分布圖。

從圖6可以看出，橢圓形振膜方案中，12號、13號和1號傳聲器的力度表現最好，而7號、8號、4號和14號傳聲器的力度表現力較差。從圖7可以看出，5號、12號和14號傳聲器清晰度的表現力最好，7號和8號傳聲器的力度感較差，其長短軸比例關系分別為小六度和大六度，而這兩種音程關系在樂段中幾乎不大出現。橢圓形振膜方案的1號、12號和13號傳聲器整體力度的表現力最好，而7號、8號和、9號和13號傳聲器的清晰度表現力較差。圖8所示的柔和度評價結果可以得到，3號、13號和6號傳聲器的柔和度相對較差。

圖5 靈敏度級與膜片有效面積的變化趨勢

圖6 力度的心理偏愛度

圖7 清晰度的心理偏愛度

圖8 柔和度的心理偏愛度

對傳聲器3項主觀音質指標的評價結果進行平均，得到各樣件傳聲器平均偏愛度的分布，如圖9所示。可以看出，橢圓形振膜方案中，1號、5號和12號傳聲器的主觀音質綜合表現最好。從傳聲器的客觀特性來看，1號橢圓振膜和14號常規振膜的頻響曲線十分接近，1號的主觀音質綜合表現較好，而14號則相對較差。這一點也可以看出，僅僅依據傳聲器的客觀參數（如頻響曲線）并不能全面、真實地反映傳聲器的音質。

本次實驗的主要目的是探討傳聲器膜片設計方案對錄音音質的影響，而相關文獻中也對樂器錄音中的聲學問題及其錄音傳聲器的選擇等問題進行過相關的研究[6]～[7]。由于本次實驗中各傳聲器橢圓形振膜的設計方案借鑒了音樂中音程協和性的概念，因此，將傳聲器的主觀音質評價結果與琵琶音程的主觀協和性之間的關聯也進行了分析，如圖10所示。其中，藍色折線代表琵琶和聲音程的主觀協和性評價結果[8]，可以看出，大三度、純四度、純五度和純八度的協和性更好，也就是這些琵琶音程的聲音聽起來相對更為悅耳。另外三條折線是各橢圓振膜傳聲器的力度、柔和度和清晰度的評價結果。從圖10中可以發現，當傳聲器振膜的長短軸比例為純四度音程頻率比（4:3）時，其力度、清晰度、柔和度3個指標的主觀聽感結果都較好，也就是圖9中平均偏愛度較好的5號傳聲器，且純四度琵琶音程的主觀協和性也較好，這一點正好體現了傳聲器的綜合音質評價與其錄制樂器聲的協和性之間的某種吻合。根據以上分析可以推測，琵琶錄音綜合音質最佳的橢圓形振膜傳聲器的長短軸比例可能為純四度音程頻率比關系。

圖9 平均心理偏愛度

圖10 琵琶的音程協和性與橢圓傳聲器音質評價的對比

另外，表現力度感的《十面埋伏》樂段中，主要音程為純四度和純五度，并且12號與13號傳聲器的力度感也是最好的，與該樂段中主要音程關系較一致。表現清晰度的《梁祝》樂段中，主要音程為純八度、純四度和純五度，且14號、12號和5號傳聲器的清晰度最好，也體現了這種一致性。《琵琶語》中，主要音程為純四度、純五度和小二度，同時還有大二度、大六度等其他音程，而傳聲器的膜片比例與樂段音程的一致性并非與柔和度評價結果明顯相關，一致性最好或最差都會降低其柔和感，如13號傳聲器和3號傳聲器。

4 小結

通過實驗用傳聲器的電聲參數和主觀音質評價實驗的對比分析可知，傳聲器的靈敏度受振膜有效振動區域面積的影響較大，橢圓振膜結構中橢圓有效面積相近的傳聲器，其靈敏度級和頻率響應均無較大差別。隨著橢圓面積逐漸變小，頻響曲線的低頻有所衰減，中頻段比較一致，高頻段的峰值較常規的均有所提升，但提升幅度較小。

在所有參與實驗的傳聲器樣件中，按小二度、純四度、黃金分割比例設計的橢圓形振膜，其錄制的琵琶樂段的綜合音質相對更好，并且與琵琶音程的純四度協和性較好這一點相一致。另外，錄制的三段琵琶樂段中，純四度、純五度和八度音程等協和音程較能表現琵琶聲音的力度感和清晰感；而小二度、大二度、大六度等較不協和音程則可以增加旋律的柔和感。當橢圓振膜的長短軸比例與琵琶樂段中的音程一致性較高時，錄制琵琶樂音的力度感和清晰度均較好；而對于柔和感的評價，則這種一致性似乎在某一平衡范圍才能達到最佳。

[1] 華子興. 傳聲器的現狀和發展分析[J]. 電聲技術，2007（1）.

[2] 鄭之風，孟子厚. 幾款國產專業傳聲器的音質評價與分析[J]. 演藝科技, 2010（10）.

[3] 劉建丹. 電容式錄音傳聲器振膜蒸鍍區域對音質的影響[D]. 北京：中國傳媒大學，2014.

[4] 孟子厚. 音質主觀評價的實驗心理學方法[M]. 北京：國防工業出版社， 2008.

[5] 劉建丹，鄭雯雯. 監聽音箱聽音覆蓋角度的測聽[J].音響技術，2013.

[6] 張婧穎，楊倩，孟子厚. 二胡錄音的聲學問題[A]. 中國聲學學會第九屆青年學術會議論文集，2011-11.

[7] 楊倩，張婧穎，孟子厚. 二胡錄音的傳聲器選擇[A]. 2011年聲頻工程學術交流年會論文集. 2011-9.

[8] 王鑫. 民樂交響性問題中彈撥樂器聲音協和性研究[D]. 北京：中國傳媒大學，2011.

（編輯 薛云霞）

The Inf l uence of Elliptical Microphone Diaphragm on Sound Quality

CAO Ju, MENG Zi-hou
(Communication Acoustics Laboratory, Communication University of China, Beijing 100024, China)

In this paper, the author designs a elliptic diaphragm of the large diaphragm recording condenser microphone, then make some sample. Through the comparison and analysis of the elliptic diaphragm, objective index of microphone and evaluation of subjective sound quality, the relationship between elliptical diaphragm of recording condenser microphone and evaluation of subjective sound quality was explored.

microphone; elliptical diaphragm; objective parameter; evaluation of subjective sound quality

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.009