土壤污染防治法 实施:麦克风的结构是怎样的

Microphone麦克风


硬件应用知识
文章加入时间:2001-09-18 11:30:41
●怎样工作
    麦克风有许多译名：微音器、送话器、传声器、或者称为话筒、麦克。本文一概称作麦克风。
    麦克风是一种换能器，把信息从一种形式改变成另一种形式。声音信息原本是空气压力的变化，麦克风把它转变成电流的变化。录音工程师特别关心转换的精度，就是通常说的保真度。
    曾有多种机械技术用于制造麦克风，淘汰的结果现在最常见的是动圈和电容麦克风。
    ※ 动圈麦克风
    动圈麦克风非常薄的金属振膜上带有一个线圈，线圈处于磁场中。当声波推动振膜时，线圈就在磁场中运动，切割磁力线而产生出电流。电流的大小取决于线圈运动的速度，所以动圈麦克风属于速度敏感型。
    ※ 电容麦克风
    电容麦克风的结构非常简单，喷镀金的聚脂膜离底座非常近，但刚刚不接触。一个电池给双方加电，形成电场。电场的强弱决定于二者的大小、距离和电池的电压。声波推动振膜时，振膜与底座间的距离不断变化，电场也在变化，电路中就产生电流。这个电流非常微弱，必须立即放大。
    电容麦克风需要形成电场的电压和放大器的供电（如果用电子管，还需要为灯丝供电），比较麻烦。后来发现有些塑料经过处理可以永久带电，这种带电的塑料称为“驻极体”，用它们做振膜可以省掉一个电源。
    如果对声音指标要求不高，驻极体电容麦克风的成本可以降得很低。于是许多电动玩具、家用电器、低档收录机都用上了驻极体电容麦克风，结果给驻极体麦克风带来了坏名声，在许多人的概念中与劣质麦克风划上等号。实际并非如此，精工细作的驻极体麦克风完全可以达到专业指标。
    ●规 格
    随着材料和工艺的不断改进，无论动圈还是电容麦克风都能够达到很高的音频指标。与此同时，它们自身的优点缺点也很清楚，用户可以根据自己应用的需要来选用。值得注意的麦克风规格有以下各项：
    ※ 灵敏度
    在同样的声音条件下各个麦克风的输出并不相等，就是因为它们的灵敏度不同。高灵敏度对于拾取轻微的声音细节非常有用。如果需要依靠放大器才能达到需要的输出电平，信噪比就会下降。但是灵敏度也并不是越高越好，因为过高的灵敏度增加了捡拾额外噪声的可能性，又容易引起过载失真。
    ※ 过载特性
    任何麦克风在过于大的声响情况下都可以产生失真。由于结构不同，产生失真的因素也不相同。对于动圈麦克风，它的音圈可能被推到磁场以外；对于电容麦克风，内部的放大器可能因为过载而发生剪切。持续的过载或太强的声音有可能对振膜造成永久性的损伤，由此造成的性能下降是无法挽救的。遭遇过载的情况可能比你想象的更多，特别是麦克风放在离乐器很近的时候（你有没有把耳朵凑到小号的喇叭口去听过？）。你通常可以在高灵敏度和高过载麦克风之间进行选择，虽然有的麦克风上有开关可以适应不同的情况，但二者很难兼顾。
    ※ 线性或失真
    这是麦克风卖钱的关键所在，振膜的制作和安放甚至比它所使用的材料更加重要。现代工业批量生产的麦克风只能保证一般指标，对于失真性能，多半要碰运气。许多厂家为同一结构的麦克风制定不同的品牌和型号，实际上是他们对成批生产的麦克风测试筛选的结果（如果你买一个Neumann，要准备好付出5个麦克风的钱）。
    另外请记住：任何麦克风都不是线性的（上帝制造的自然界没有一样是线性的），最好你能找到一支麦克风，它的失真反而有益于录音，这是一点小秘密，我们在后面还有更多的讨论。
    ※ 频率响应
    三、四十年以来，麦克风厂商的主要追求就是平直的频率响应，但是连上帝都摆不平的事情岂是厂商能够解决的？五十年代的糟糕麦克风促使调音台厂商开始为每一路输入加上均衡作补救。现在总算好了，许多专业麦克风的频响曲线起码对于来自正前方的声音已经很平。非但如此，有的麦克风还故意强调精心考虑过的某些频率，以适应某些录音的需要。关于这一点，也会在后面细讲。
    ※ 噪 声
    麦克风极轻的振膜需要精确地跟随声波动作，产生的电流非常微弱，需要放大成千上万倍才能用于录音或其它处理。麦克风产生的噪声也将与信号一同被放大，这是不允许的，动圈麦克风的情况比较简单，虽然它们的音圈有捡拾电磁感应的可能性，但仔细的屏蔽就能解决问题。电容麦克风里面的放大电路很容易发生噪声，因此从每一个部件到整体设计都必须特别小心。
    噪声还可能来自麦克风受到机械振动或外壳被触碰，高灵敏度的麦克风经常要求弹性悬挂放置，手持麦克风则在内部设计了悬挂装置。
    麦克风的引线和接插件也容易成为噪声源。镀金的插头插座并不是奢侈，而是防止氧化增大接触电阻。麦克风的引线对于录音机或调音台的前置放大器就如同收音机的天线，非常容易接收到迷漫在空中的各种电波，为了阻挡杂电干扰，引线须用柔软的金属材料屏蔽，包括接插件在内，不能有一丝一毫暴露在外面。
    平衡的传输方法对于消除来自交流电源的低频哼声等噪声特别有效。它要用3根芯线，其中2根用于传送声音，1根返回。如果传输途中感染噪声，2根信号线将同时被感染。来到接收端，通过变压器反相，使2根信号线中的噪声互相抵消，信号却不受影响。
    ※ 输出电平
    前面讲到麦克风的输出电流非常微弱，一般大约是-60dBm（在声压为10uBar时）。输出阻抗高低取决于麦克风内是否装有平衡变压器。如果没有，麦克风将是高阻抗输出，标记High impedance或Hi Z，它们应该接入相应的插座，引线越短越好，一般不长于3米，以避免信号损失和噪声干扰。
    如果带有变压器，通常就是平衡低阻输出，引线长到几十米也没问题。但是低阻麦克风的输出电压也很低，需要配用高增益，高指标的前置放大器，整个系统的造价也将升高。所以实际上民用麦克风常是高阻抗，而专业麦克风必然是低阻抗。
    ●指 向 性
    不了解麦克风的人常会以为麦克风只能接收正前方的声音，就象照相机一样。真要这样就太好了，可惜麦克风只有如下图所示几种大概的指向特性。
    ※ 全 向
    最简单的麦克风接收各个方向的声音，与它朝向哪一方无关。它们很容易使用，一般有很好的频率响应。
    ※ 双 向
    让振膜的前、后面同时接受声波在技术上并不困难，这时的指向图近似8字形，只是对两侧的声波不敏感。但这样的方向性在实际使用中不很方便，经常会接收到不需要的声音。最常见的是把他置于乐器的上方。频率响应与全向相同，起码声源不太靠近的时候是这样。
    ※ 心 形
    这一指向形状的麦克风常用于增强声音或录音乐会时希望减少听众席噪声的情况。想法很好，实际不很理想。首先是来自后方的声音并没有被完全消除，而只是衰减了10-30dB。其次也是总要遇到的，指向图形随频率而改变。在低频，基本是全向。能够在低音区具有良好指向性的麦克风一般都比较大和昂贵。对后面和侧面声音的频率响应不平坦，导致这些区域的乐器或大厅混响带上不希望的染色。第三个问题可能有害也可能有用，就是麦克风的近距效应：麦克风在很近的距离拾音时，低频灵敏度有明显的增高，越近越明显。有些歌手和播音员靠它为自己单薄的声音加上“胸声”。它与麦克风的尺寸有关，一些大振膜麦克风侧面和后面的近距效果更加明显。许多心形麦克风带有低频修剪滤波开关，就是为了对付近距效果。双向麦克风也有同样的问题。
    ※ 更紧凑的图形
    把心形指向加以夸张，就是常用的超心形，它对抑制侧面的声音更为有效，进一步缩小的后方“耳垂”部分也有较平坦的频率响应。似乎是心形和双向图形之间的折中。“短枪”式麦克风更进一步，它的振膜安放在一个管子的中部，因此在主轴方向有极高的灵敏度，但是附带的几个“耳垂”形状随频率剧烈变化。实际上这类麦克风的频响很糟，用途有限，常在电影或电视制作中用来录对话。
    ※ 立体声麦克风
    立体声麦克风实际是把两支麦克风做在一个外壳中，常见到的立体声麦克风处于两个极端：极其昂贵的专业型号带有精密匹配的极头，可以调整角度，有改变指向的遥控开关等。廉价的货色只是把2支极头背对背放置，而售价经常高于2支单独的麦克风。
    ●典型的放置
    使用单独一支麦克风非常简单。选一支具有适当灵敏度和指向性（以及用你能承受的价格选择失真、频响、噪声等指标），将它放到声源近旁就行了。具体离声源多远，可以这样决定：既不要过近以至出现过载，又不要过远，使得调音台要加大增益增加噪声。在这两种极端的情况之间，凭经验放置。
    如果麦克风离乐器太近，你将发现麦克风的位置对录音的声音影响很大。音色可能有点怪，有些音特别响，有些音特别弱。这是因为不同的音可能是从乐器的不同部位发出来的（钢琴的最高音和最低音发音点大约相距5英尺），我们习惯于听混合的声音，而不是乐器某一部分发出的声音。经验认为声音的混合区从乐器长度的2倍处开始。如果乐器不止一件，按最边上的两件来计算。
    如果麦克风离乐器太远，录音中也能听出来。我们判断声源的远近凭的是直接来自乐器的声音和经过房间墙壁反射产生混响的比率。我们出席音乐会的时候能看到演奏的乐手，有视觉帮助定位，大脑的定位功能还没有充分发挥。而我们听录音的时候，没有了视觉的辅助，大脑的定位系统格外灵敏，录音中的定位问题就会显露出来。所以最好的座位不是放置麦克风的最好地点。另一方面我们也需要一些混响来表现某些音乐特点（有些音乐录音专门到有石墙的教堂去录制），过近的麦克风放置将妨碍混响的接近。一些工程师宁肯用近距技术躲开周围的噪声，再用人工加上混响；另外的解决方案是把麦克风放得很高，既可避免噪音又能接近足够的自然混响。
    ※ 立体声
    立体声是由两个音箱回放录音造成的空间幻象。成功的幻象依靠声像设置。好的声像设置起码要在声音空间中为每件乐器确定自然的音量、固定的位置，具体就是各件乐器在每个音箱中回放的强度和到达听众耳朵的时间。在录音棚中录音，立体声像是由人工制作出来。每件乐器有它自己的麦克风，各种信号在调音台上根据制作者的意愿达到平衡。音乐会的录音需要体现真实性，为每件乐器设置麦克风显然笨拙又麻烦，通常只用2支麦克风，各自对应一个音箱。
    ※ 间隔置放
    最简单的方法是假定两个音箱分开2到3米，两个全向或心形指向麦克风也就分开2到3米，各自记录一个音箱用的信号。回放的时候调整音箱的摆放达到满意的声像（经常看到工作人员在音乐会现场有耐心地仔细移动麦克风，实际这种拾音方法非常宽松，并不因为他们的努力而显示出多少差异）。一个主要的缺点是要求麦克风距离合奏乐队足够远，最少等于乐队左边到右边的距离，否则靠近麦克风的乐器就会太突出。为了构成这样的距离，通常需要把麦克风悬挂在空中或在观众席放置高架。
    ※ 相合的心形
    间隔置放技术的另一个缺点在需要把两通道信号混合成单通道时显露出来。因为两个麦克风之间的距离较大，大部分乐器的声音不可能同时到达（声音大约每毫秒走1尺远），当你把两个通道信号混合时就出现相位差，在频率响应方面会有些问题。你不必担心某些音符会因此而消失，一般严重后果也就是频响不平坦，不稳定而已。
    解决这一问题的各种方案基本上都来自把两支麦克风移到同一点上的想法。
    方案之一是用两支非常靠近的心形麦克风，头部都向前，但一个稍偏右，另一个稍偏左。它们结成一对，彼此的振膜相距不过几寸，因此消除了空间距离造成的相位问题。它们的指向范围和置放角度很有讲究，过于平行会减弱立体声效果；但过于分开会造成中央区的空洞。顺便说到使用这一技术时一定要注意麦克风的实际指向。有些德国造的非常精致的麦克风，尽管它们的外型与一般麦克风并无区别，它的指向并不在有商标徽纪的这一面，而在侧面。
    使用这一方法可以把麦克风放置得非常接近乐器，让麦克风指向后排来解决远近乐器之间的平衡问题。前排的乐器因为偏离了指向的轴线而被衰减。这时麦克风的高度变成很重要的调节因素。
    ※ M.S.
    更加理想的方法是使用M.S.技术，可以解释为Middle-Side（中间－旁边）。M.S.技术通常最少需要用两支麦克风构成立体声，一支为全向型，另一支为双向型。双向型的指向轴与台口平行，排除了中部的声音，而全向型当然是全面接收。
    为了讲清M.S.技术的基本原理，还需要多讲几句。
    比方舞台左边有件乐器，它发出的声波将把双向麦克风的振膜推向右方，假定产生正的输出；而舞台右边的乐器发出的声波将把双向麦克风的振膜推向左方，假定产生负的输出，是相反的相位；而越靠近舞台中央的乐器声音就越弱。是不是这样？
    M.S.技术并不把两支麦克风的输出各送入一通道扩音重放，而是与全向麦克风的输出一同送到一个电路去作处理。依照前例的假定，舞台左边的乐器产生正输出，与麦克风全向输出相加；舞台右边的乐器产生负输出，与麦克风全向输出相减；舞台中央的声音被双向麦克风排除，所以不加也不减，这样来区分左右声道。
    虽然听起来有点复杂，但的确是一种巧妙，平滑而精确的技术，与单声道完全兼容。有人更通俗地将它比作电视中的亮度和色度信号，全向信号相当于亮度，只能看黑白电视；加上了色度信号就能看彩色电视，它们的兼容性大家都明白。
    ※ 大合奏的录音
    以上的技术对小型的合奏已经够用了，但是大合奏还有些其它的问题，例如声音的多次反射会产生自然的“合唱”效果；当独奏与合奏的音量平衡难以解决或个别乐器音量过弱时需要另加麦克风。最经常遇到的问题还有来自后墙的反射声将大大延长混响时间，解决的方法是在观众席靠后的地方设一个麦克风，专门收集混响声。
    ※ 录音棚小景
    录音棚里有一些特别的风景，人们说着行话，从事与众不同的生产活动。
    ◎ 每件乐器一个麦克风
    这给予录音师在调音台上仔细调整平衡的最大权力，一般仅限于人数不多的乐队。音乐家们完成任务回家后你可以发现架子鼓那里足有八、九支麦克风。
    ◎ 尽量靠近
    录音棚的麦克风放置原则总是尽量靠近，主要为了避免一件乐器的声音被两支以上麦克风捡拾。那是很糟糕的结果，甚至会修改乐器的音色，比如混合之后大钢琴变成了酒巴钢琴。
    ◎ 每人戴耳机
    参与录音的音乐家经常戴着耳机，根据一条“打点”轨的节拍演奏，只有少数速度多变的段落或需要与影视画面严格同步的录音需要有人指挥，音乐家如果不戴耳机就听不见其他人的演奏。
    ◎ 一首歌录20到30遍
    录音对音准和节奏的要求比现场演出严格许多，一首歌录20到30遍(行话叫Take)不新鲜，最后还不免要做剪接编辑。
    ◎ 麦克风前的挡风屏
    一些外行有对麦克风吹气试音的坏习惯，进了录音棚切记不要对麦克风吹气，过去电容麦克风极为娇气的时候，一口气可以吹坏一只价值连城的麦克风并不是天方夜谭。现在的麦克风结实些了，但还是忌讳吹风。不要说对着它吹，就是唱歌时的呼吸声也会引起噗噗声。为此录音棚备有多种防风罩，例如套在麦克风上的泡沫塑料罩或挡在前面的尼龙丝屏。
    实际上防风罩还有另外的用处。许多歌手唱歌时移动身体，如果距麦克风较远，影响还不大；但他们经常非常接近麦克风，因此不大的移动距离也会引起音量和音色戏剧性的变化。防风罩可以限定歌手离麦克风的最近距离。
    顺便说个笑话，一个歌手每次录音停下来就要喝水活动，但是再次开始录音时总站不对位置。录音师只好跑出来，在地上画两个脚印，叫她每次回来都必须站在原地。
    ●秘 密
    麦克风虽然有许多讲究，其机械结构非常简单，没法与当今的高科技相比。但是恐怕越简单越有奥秘，而且比复杂的技术更不讲道理。
    对于很多人来说，录音师就象魔法师，坐在布满了旋钮的调音台后面，操纵一堆昂贵复杂的机器，似乎具有超凡的能力。这种“盲目崇拜”起源于录音设备极为昂贵而容易损坏，老百姓没有用过比收音机更复杂的电子设备的年代。录音并没有那么神秘，许多设备现在甚至个人也有能力置办，如果要说秘密，大概就是经验的积累。无数细小的经验，成就了出众的录音师。下面列举一、二：
    ※ 隔音的墙或小房间
    录音棚里常常可以见到带轮子的隔音墙壁或几间小房间，同样是为了避免一件乐器的声音被两支以上麦克风捡拾。有时甚至采取更加极端的手法，例如对付能量很强的低音鼓，录音师会用布套、衣服等随手抓到的东西塞在鼓膛里，使它发出不太响的闷声，以免传到其它打击乐麦克风中。过后再在后期处理中用电子技术恢复鼓声。
    ※ 麦克风和乐器的匹配
    没有绝对错误的匹配，每个录音师都有自己的喜好，建立在他对麦克风熟悉的基础之上。每支麦克风有它独特的声音，也许差异非常微小。演奏家的乐器声音也没有完全一样的，而且演奏家对他们的乐器声音有一个概念（尽管不见得正确），他要求从扬声器中听见概念中的声音。频率响应和麦克风位置会影响到声音，有时你需要夸张某些特点才能符合用户的要求。
    ※ 不一样的听
    录音师听音乐和听众听音乐不一样，听众是很宽洪大量的，可以忽略许多细节。而录音师对待音乐就象“庖丁”见了牛一样，出于职业，他见到的已经不是整牛，而是一块块牛肉的组合。
    录音师应该把注意力放在主要的事情上，避免在细小的问题上浪费时间。当然有个前提是他必须清楚什么是主要的事情。例如对待噪声和失真，实际上音量很大的时候听众可以忽略少量的失真（他们觉得这是正常的），如果为了避免这一点失真而将录音电平降低，反而不会有好结果。录音师也经常在不同的回放系统上试听录音效果，他们会把录音缩混到盒式带上，拿到手提式收录机上去体验普通老百姓家里的回放效果。如果你在摆满高级专业设备的录音棚里见到一台过时的“两喇叭”收录机，不必奇怪，它很有用。
    ※ 自 学
    从学校或书本上可以学到录音的基本知识，但是学不到一个专业录音师的基本品质，那需要亲身实践经验的积累。例如起码上百次录音，使用过几十支麦克风等等。每一次录音都是很好的研究开发机会。对于没有机会接触高级麦克风的人来说，两支心形指向的中挡麦克风就是很好的起点，用它们录各种声音，仔细聆听细微的差别，从中学习，先把这一对麦克风吃透。如果能够借到另一对麦克风，可以和自己的放在一起，分别录音，这将是一个比较和学习的大好机会。
    讲到两套麦克风，顺便一提我从一篇文章中看到的另一种用途：数字录音的过载失真非常糟糕，完全无法补救。但如果用两支相同的麦克风绑在一起，各自录进一条音轨，增益叉开10dB，万一增益高的音轨出现过载，还有低10dB的音轨做保险，做些挖补工作能够凑出一条完整的音轨。须知比较完美的录音可遇不可求，失去的机会永远不再回来。