電聲技術(shù)概述

柯昀潔

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

電聲學(xué)是對聲音信號進(jìn)行加工、處理的學(xué)科，自電子管發(fā)明后逐步得到發(fā)展。通過電聲技術(shù)，人們可以長期保留聲音，使聲音更動聽或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。按照聲音信號的頻率劃分，電聲學(xué)可以分為超聲、可聞聲和次聲電聲學(xué)[1]，其中人耳可識別的可聞聲電聲學(xué)由于獨特的特點與廣泛的應(yīng)用，成為一個備受關(guān)注的分支。

可聞聲電聲技術(shù)研究與人耳聽覺緊密相關(guān)的可聞聲，實現(xiàn)傳送、記錄聲音的同時，還涉及高保真、立體聲等藝術(shù)相關(guān)領(lǐng)域[2]，是與日常生活息息相關(guān)的一項技術(shù)。研究探討可聞聲技術(shù)，從聲波、聽覺角度入手，分析可聞聲聲波特性，著重介紹常用電聲器件，并結(jié)合時代前端的電聲技術(shù)——立體聲，闡述電聲技術(shù)的實際應(yīng)用。

1 聲波及聽覺特性

1.1 聲波

聲波是由于機械振動或氣流擾動引起聲音周圍的彈性媒介發(fā)生波動形成，用三個與聲場中位置、時間有關(guān)的函數(shù)描述：媒質(zhì)密度ρ、媒質(zhì)質(zhì)點振動速度v、聲壓P[3-4]。由于空氣質(zhì)點的振動幅度很小并且“絕熱”，因此當(dāng)選擇的坐標(biāo)系與聲波傳播方向一致時，空氣密度、空氣質(zhì)點振速與聲壓符合一維線性關(guān)系：

聲波運動方程：

(1)

聲波狀態(tài)方程：

(2)

(3)

其中，ρ0為空氣靜態(tài)密度(假設(shè)空氣為均勻媒質(zhì))；C0為空氣中聲速；r為聲波傳播方向上的距離；S是聲波波振面面積；t為時間。

推導(dǎo)可得聲波“波動方程”[5]：

(4)

工程應(yīng)用中，距聲源距離較遠(yuǎn)的聲波等效為平面波。此時，波陣面面積不隨距離變化，聲壓、空氣質(zhì)點振速與r無關(guān)，解波動方程得波阻率ZS。

(5)

由式(5)可得，平面波任意處波阻抗率為常數(shù)，數(shù)值與空氣特性有關(guān)與聲源無關(guān)；波阻率有阻無抗，即聲壓與質(zhì)點振速相位相同。

自由空間中點聲源的聲波等效為球面波。波陣面是以聲源為中心的球面[6]，代入波動方程求解即波阻抗率。

(6)

由式(6)可得，球面波中任一點的聲壓與質(zhì)點振速v、距離r、聲源頻率f有關(guān)。當(dāng)距離較遠(yuǎn)、頻率較高時，如kr>10，虛數(shù)部分忽略，此時相當(dāng)于平面波，故球面波的遠(yuǎn)場區(qū)可近似等效平面波。

1.2 聽覺特性

聲音是振動波，本質(zhì)上是空氣分子振動引發(fā)耳朵鼓膜振動，從而聽到聲音。聲音大小即振動強度，采用聲強、聲壓描述。由于聲強、聲壓變化范圍很大，取指數(shù)后與人耳的感觀相符，故將聲壓與聲強取對數(shù)，稱為聲壓級(SPL)與聲強級(SIL)，定義如下：

(7)

(8)

其中，Pref、Iref為標(biāo)準(zhǔn)聲壓、聲強參考值。

聲音的頻率表現(xiàn)為音調(diào)的高低，其相對關(guān)系也呈對數(shù)關(guān)系，故頻率坐標(biāo)也采用對數(shù)刻度。聲音的聲壓會影響人耳的聽覺頻響，聲壓級不同聽覺頻響不同。聲壓級較高時，聽覺頻響接近理想狀態(tài)為平直線；聲壓級較低時，頻響變壞，低頻尤為顯著。

此外，人耳具有延時效應(yīng)，即人耳僅能在一定范圍內(nèi)區(qū)分延時滯后聲音。當(dāng)聲音滯后小于等于17 ms時，滯后效果不被發(fā)覺；當(dāng)聲音滯后35～50 ms時，滯后效果可以被感覺到，但無法分開；當(dāng)滯后50 ms以上時才會像回聲一樣產(chǎn)生干擾。

2 電聲器件

電聲器件是能夠進(jìn)行電和聲轉(zhuǎn)換的器件，通過壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)等實現(xiàn)[7]。以揚聲器和傳聲器為例，介紹電聲轉(zhuǎn)換器件和聲電轉(zhuǎn)換器件。

2.1 揚聲器

揚聲器即喇叭，可將電能轉(zhuǎn)換為聲音。電信號施加于揚聲器上，通過電能機械能換能使紙盆或膜片發(fā)生機械振動，從而帶動空氣共振發(fā)出聲音。按照換能機理和結(jié)構(gòu)分類，可以分為動圈式、電容式、壓電式、電磁式、電離子式揚聲器等。揚聲器工作原理如圖1所示。

圖1 揚聲器工作原理

2.1.1 電動式揚聲器

電動式揚聲器應(yīng)用廣泛，主要有紙盆式、號筒式、球頂形三種[8]，其原理相同，但振動膜種類、外形結(jié)構(gòu)不同，因此在聲音的處理上各有優(yōu)勢。

紙盆式揚聲器結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含振動系統(tǒng)、磁路系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)三部分[9]。當(dāng)音頻電流通過位于磁場內(nèi)的音圈時，產(chǎn)生安培力使音圈軸向運動。若輸入的音頻電流為交變電流，安培力變?yōu)榻蛔兞κ挂羧Τ霈F(xiàn)交變運動，紙盆重復(fù)振動并推動空氣發(fā)聲。該類揚聲器構(gòu)造簡單且價格便宜，音效上低音飽滿，中頻頻率響應(yīng)均勻，但電聲轉(zhuǎn)換效率較低。

圖2 紙盆式揚聲器結(jié)構(gòu)

號筒式揚聲器主要有振動系統(tǒng)和號筒兩個模塊，振膜是一個球頂形膜片。振膜振動經(jīng)過號筒的兩次反射，聲音強度增強且集中向一個方向傳播，因此號筒揚聲器功率大、方向性強，常用于室外擴音；但其低頻響應(yīng)較差且頻帶較窄，極易產(chǎn)生非線性失真。號筒式揚聲器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 號筒式揚聲器結(jié)構(gòu)

球頂形揚聲器因振膜為半球形而得名。該類揚聲器高頻段響應(yīng)優(yōu)異，擁有較寬的指向性，同時有較好的瞬態(tài)特性且產(chǎn)生失真小，非常適合用作家庭影院系列的音箱設(shè)備。

2.1.2 其他揚聲器

壓電式揚聲器借助材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)。振動單元為兩片大小不一的金屬電極，中間為薄層壓電材料，兩電極通過音頻信號產(chǎn)生電場，使壓電材料形變振動，從而發(fā)出聲音。

靜電式揚聲器通過外加在極板上的靜電力實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，由固定極板和振動膜構(gòu)成。靜電高壓電路產(chǎn)生直流高壓加于固定極板，音頻經(jīng)升壓加于振膜，靜電對振膜產(chǎn)生吸引或排斥，使振膜震動發(fā)出聲音。由于振膜質(zhì)量較輕，故該揚聲器可捕捉聲音信號的細(xì)微變化，解析能力強，但工作需要極化電壓，面積較大，且不適合低頻揚聲。因此多用于中高頻場合搭配電動式揚聲器使用，難以進(jìn)入便攜式系統(tǒng)。

2.1.3 揚聲器參數(shù)

揚聲器主要衡量參數(shù)如下：

1)額定功率：標(biāo)稱功率或不失真功率。額定不失真時揚聲器可允許的最大輸入功率，常標(biāo)于商標(biāo)或說明書。

2)額定阻抗：揚聲器的阻抗與頻率有關(guān)。額定阻抗是音頻400 Hz時由輸入端測量出的阻抗，通常值為1.2～1.5倍的音圈直流電阻[10]。動圈式揚聲器阻抗有4 Ω、8 Ω等。

3)頻率響應(yīng)：聲壓與頻率的關(guān)系特性，指聲壓下降為固定聲壓時對應(yīng)的高音、低音頻率范圍。理想的揚聲器頻率特性應(yīng)為20 Hz～20 kHz。

4)失真：揚聲器無法逼真重放原來聲音的現(xiàn)象，包含頻率失真和非線性失真。

5)指向特性：即聲壓的分布特性,描述空間內(nèi)不同方向上揚聲器所輻射的聲壓分布，與頻率高低、紙盆大小有關(guān)，頻率高、紙盆小時指向性弱。

2.2 傳聲器

傳聲器俗稱麥克風(fēng)，是將聲能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，即聲波在電聲原件上作用產(chǎn)生電壓。常見的是動圈話筒和電容話筒。傳聲器工作原理如圖4所示。

圖4 傳聲器工作原理

2.2.1 動圈話筒

動圈話筒主要由升壓變壓器、永磁鐵、音圈、振膜及保護(hù)罩等構(gòu)成，如圖5所示。當(dāng)聲波輸入，膜片隨聲音前后振動，使磁場中的音圈發(fā)生切割磁感線運動，從而在音圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，音圈兩端出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，完成聲-電轉(zhuǎn)換。常見的動圈話筒如手持話筒，它的穩(wěn)定性高，指向性良好，工作時不需配備直流電壓，堅固耐用且價格低廉。

圖5 動圈話筒結(jié)構(gòu)、外觀

2.2.2 電容話筒

圖6 駐極體電容話筒結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路

由于話筒輸出信號較弱，通常后接“預(yù)放大電路”進(jìn)行阻抗變換和放大，實現(xiàn)最大傳輸增益。采用場效應(yīng)管FET實現(xiàn)放大，電容的兩極分別接場效應(yīng)管的漏極D和柵極G，電容兩端產(chǎn)生電壓即柵漏極間電壓變化，使漏極電流改變，從而在RL上產(chǎn)生ΔVD，影響輸出電壓。

目前，駐極體傳聲器多應(yīng)用于錄音機、無線話筒等小型聲音電路中，它的微小體積、良好性能，都有利于電子產(chǎn)品的小型化與便攜性，同時價格上的優(yōu)勢也使其成為最常用的一類電容話筒[11]。但為了實現(xiàn)負(fù)載匹配，電容話筒通常外加場效應(yīng)管充當(dāng)阻抗轉(zhuǎn)換器，因此駐極體電容話筒需要配置直流工作電壓。

2.2.3 傳聲器參數(shù)

傳聲器主要衡量指標(biāo)如下：

1)靈敏度：包含聲壓靈敏度和聲場靈敏度。聲壓靈敏度是指真正作用在振膜的聲壓；聲場靈敏度是指無傳聲器的聲場聲壓。

2)頻率響應(yīng)：描述輸出信號隨頻率的變化，用靈敏度(dB)表示。理想頻響曲線表現(xiàn)為水平線，說明此時傳聲器的輸出真實還原了輸入聲的特性。一般電容傳聲器頻響曲線比動圈式平坦[12]。

3)阻抗：表征傳聲器電阻特性，用于匹配負(fù)載阻抗，使輸出功率最大化。一般而言，低于600 Ω為低阻抗；600～10 000 Ω為中阻抗；高于10 000Ω為高阻抗。

4)等效噪聲：用來描述傳聲器自身的噪聲電壓。

5)信號噪聲比：輸出信號與內(nèi)部噪聲信號的電壓對數(shù)比即為信噪比。優(yōu)質(zhì)電容傳聲器S/N為55～57 dB。

6)指向性：描述傳聲器對各角度聲源的靈敏程度，通常用極坐標(biāo)圖(polar pattern)表示。

3 立體聲技術(shù)

立體聲技術(shù)是恢復(fù)原發(fā)聲空間感，使聲音呈現(xiàn)左右空間感的技術(shù)。由于各聲源從不同方位發(fā)聲，極大地減弱了聲源間的掩蔽效應(yīng)，同時由于聲部平衡改進(jìn)，使得背景噪聲的影響降低，聲音清晰度提高。這一技術(shù)自19世紀(jì)初受到廣泛關(guān)注，早期有二路立體聲、四路立體聲、波前制立體聲等。

以二路立體聲為例，此時聲源方向僅為水平方向，常用雙聲源YL、YR實現(xiàn)。假設(shè)YL、YR揚聲器特性相同且無失真，人耳恰位于兩揚聲器分割中線上。此時，人耳不能辨別兩個聲源，產(chǎn)生聲源幻象即聲象。若向揚聲器同相輸入內(nèi)容相同但強度差異的聲音信號，聲象的方位符合“二路立體聲正弦定律”：

(9)

式中，θI為聲象的方位角；K為信號頻率的修正系數(shù)：f<700 Hz時，K≈1；f≥700 Hz時；K≈1.4；UL為左邊揚聲器所加信號電壓幅度；UR為右邊揚聲器所加信號電壓幅度；θr為揚聲器對聽者的方位角。

由式(9)可得，聲象將出現(xiàn)在兩揚聲器之間，改變兩揚聲器信號電壓的比例，聲象將在兩揚聲器之間有規(guī)律地移動。借助此規(guī)律，產(chǎn)生和導(dǎo)演兩個聲道的信號強度比例，可以使聲象出現(xiàn)在預(yù)期的方向上，形成不同的拾聲方法。目前，拾聲方法和聲象導(dǎo)演方法主要有X-Y制拾聲法、M-S制拾聲法、A-B制拾聲法以及模擬人頭制拾聲法。

X-Y制拾聲法是使用“正交重合”、“8字”指向性的“傳聲器對”。重合是指兩傳聲器的聲波接收器水平方向重合，即兩傳聲器的接收器分布在垂直地面的方向上方和下方；正交是指兩個“8字”指向性傳聲器的主軸方向相互垂直[13]。此時，傳聲器主軸方向?qū)ㄕ麄€拾聲范圍，因其輸出的信號分別送入兩個聲道，因此稱為X-Y制拾聲方法。

模擬人頭制拾聲是在兩傳聲器間加入模擬人頭，模擬人頭兩耳部位分別放置兩傳聲器。高頻時，模擬人頭會對聲波產(chǎn)生衍射，使兩傳聲器信號差異變大，造成雙揚聲器系統(tǒng)中高頻聲象混亂，但雙聲道耳機中效果良好。因此，模擬人頭拾聲多配合耳機使用，而揚聲器中需將信號進(jìn)行處理方可使用。

4 結(jié) 論

電聲技術(shù)作為一門古老又年輕的學(xué)科，融合多學(xué)科內(nèi)容，顯得復(fù)雜晦澀，然而在日常生活中，這門技術(shù)又隨處可見，因此對于它的研究一直未曾中斷。特別是現(xiàn)今，人們對聲音已不滿足于聽到，正逐步上升為聽覺盛宴，因此對于電聲技術(shù)的研究就顯得更加迫切。從電聲技術(shù)定義、聲音特性、電聲器件以及立體聲技術(shù)4個方面入手，分析討論電聲技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。闡明可聞聲電聲技術(shù)的概念，并從聲波特性、人耳聽覺特性著手，剖析了聲波的傳播方式以及評價參數(shù)，結(jié)合分析得到的理論觀點與實際生活，介紹兩種常見電聲器件——揚聲器與傳聲器的工作原理與性能參數(shù)，用理論解釋實際，從實際中尋找理論應(yīng)用，最后介紹了最新的電聲技術(shù)即立體聲技術(shù)，從立體聲模型、拾聲方式等方面深入探討了立體聲技術(shù)的實現(xiàn)手段。

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