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05 电子声 Electronic Sound（第1页）

05电子声Eleid

从声音到电流：麦克风

19世纪20年代，查尔斯·惠斯通（CharlesWheatstone）发明了麦克风。它是一种由两块金属板组成的纯声学设备，通过一根有弹性的杆子和一段女装裁缝常用的丝带固定在耳朵上。使用的时候需要把自己的头靠在声源上（惠斯通很贴心地建议使用一个烧水壶），如果运气好的话就可以听得更清楚。意料之中（惠斯通却觉得很意外），这个设备并没有流行起来。

现今声学设备的前身是碳质麦克风，由大卫·休斯（DavidHughes）于19世纪70年代发明。与惠斯通的设备不同，碳质麦克风可以将声音转化成电。在这种设备中，一个薄金属片（膜片）压住充满碳颗粒的容器，下压的力改变碳颗粒的电阻，电流从中流过。虽然性能很差，但碳质麦克风在电话中使用了几十年。

虽然在过去的几年里，出现了很多种形式的麦克风设计，几种专业的类型现在还有，但目前常用的只有三种类型，即动圈（或动态）麦克风、电容式麦克风和压电式麦克风。

图18　动圈麦克风

在动圈麦克风（见图18）中，膜片连接到环绕固定磁铁的线圈上。线圈运动时产生低电压，从而产生一股弱电流。低电压意味着这种麦克风的质量不足以进行测量工作，所以动圈麦克风主要用在音乐会和录音棚中。

图19　电容式麦克风

在电容式麦克风（见图19）中，膜片形成一个电容板（因此得名）。电容器由一对平行的金属板组成，其间有一层薄薄的空气或其他不导电的材料（称为电介质）。将一块金属板连接到电池的负极上，电池就会给这块板充电。金属都含有自由电子，而另一块金属板上的自由电子会受到和负极相连的金属板上电场的排斥。被排斥的电子从平板中流出，从而使金属板带正电荷。因此，现在整个电容器上都有一个电压（称为极化电压），麦克风可以随时工作了。膜片板随着声波的压缩和膨胀而移动。巨大的电阻阻止电荷快速逸出，因此声波被转换成电压波动的模式。电容式麦克风具有良好的频率响应特性，在实验室和声级计中被用作测量麦克风。它们对突发声音的反应也比动圈麦克风快。

晶体麦克风和陶瓷麦克风利用了压电效应，这种效应是利用了石英或其他一些晶体材料在受到轻微压缩时会产生电压这一性质。大多数固定电话都使用这种麦克风，呼叫中心使用的受话器里也是它。

出于我个人对历史或专业上的兴趣，我将其他类型的一些麦克风列在下面。

驻极体麦克风是由永久充电材料（在电学中相当于磁铁）制成的。它们的功能与电容式麦克风类似。

微电子机械系统（MEMS）麦克风是直接蚀刻在硅片上的电容式麦克风，面积只有几平方毫米，而且价格低廉，特别坚固，这意味着它们可以被用于手机及许多其他设备中。

光学麦克风使用闪亮的硅薄膜作为膜片，它可以反射来自发光二极管（LED）的光。当薄膜被声波振动时，光探测器测量光的变化，然后电子电路将这些变化转换成电信号。这种麦克风结构紧凑、坚固耐用，不受局部电磁场的影响，因此，在病人进行核磁共振扫描期间，他们可以用这种麦克风和工作人员进行交流。

压力区麦克风是专门设计在硬反射表面附近使用的（如必须直接朝向舞台地板放置）。对于传统的麦克风，麦克风表面的反射会干扰麦克风直接接收到的声音，但是压力区麦克风克服了这个问题，因为它的膜片离麦克风表面非常近，以至于大多数波长都会重叠。

带式麦克风使用金属带而不是小的膜片，与鼓膜和大多数其他类型的麦克风不同，它对金属带两侧的压力差产生回应。这意味着金属检测到的是随声波移动的空气分子的速度，而不是声压模式。通常解说员会在嘈杂的环境中使用这样的麦克风，因为来自四面八方的声音会同时影响金属带的两侧，从而使得麦克风不会对这些声音做出反应。在这个应用场景中，麦克风在靠近上唇的地方有个凸起，这有助于引导解说员的声音，使它只撞击金属带的一侧。

在嘈杂的环境中准确捕捉声音的另一种选择是项链式麦克风，这是一种小型的可以夹在物体上的驻极体麦克风或动圈麦克风。项链式麦克风的优点是体积小，要将它藏在衣服下面简直轻而易举。

声强探头由一对面对面的麦克风组成，它测量同一声波不同部分的压力，由此可以计算出分子速度并进一步得到声强。

选择麦克风的一个重要标准是方向性。比如，理想的全向麦克风对来自任何方向的声音都有着同样的敏感度。再比如，在捕获完整的音效场景时常常需要使用全向麦克风。单向麦克风只能从一个方向接收声音，非常适合在嘈杂的环境中接收语音或歌曲。

除带式麦克风和声强探头外，只要声波波长比膜片的尺寸大，那么对这种类型的声波麦克风都是全方向的。如要使麦克风主要针对从正前方或正后方（双向）传来的声音敏感，只需让麦克风前后方都向空气敞开。膜片不会对四面传来的声波做出太大的反应，因为前部压力的升降与后部压力的升降非常相似。但是任何入射到麦克风正面或背面的波都会很容易地被接收到。

实现定向的一个简单方法是将麦克风安装在截面为抛物线的反射器的焦点上。只要麦克风比反射器小，这个抛物面的形状就可以将入射声波反射到膜片上。另一种选择是将麦克风安装在一个管道的末端，管道两侧有裂缝，以制造枪式麦克风（又叫远程拾音器）。声波沿着管道畅通无阻地传播，一直传到麦克风，但来自其他方向的声波则通过缝隙进入麦克风。每一个这样的声音都会进入多个狭缝，形成许多版本，每个版本都有不同的相位。因此，这两种版本将在很大程度上通过相消干涉互相抵消。霰弹式麦克风广泛用于户外录音，常常配合摄像机一起使用。不过，这种麦克风对频率的依赖度很高。

从电到声：扬声器

扬声器与麦克风的原理恰恰相反。如果给一个动圈、电容、晶体或陶瓷麦克风提供一个变化的电流，这些麦克风将因振动产生声波（这样的麦克风因此被称为互易换能器）。大多数实际的扬声器是反过来的动圈麦克风，称为动圈式扬声器（见图20）。顾名思义，一个电信号被传送到一个线圈（音圈），该线圈连接到一个锥形的膜片上。线圈包围着磁铁，信号在线圈形成的电磁场中使线圈和膜片发生运动。

图20　扬声器