工程聲學/麥克風設計與運作

第一部分：集總聲學系統 – 1.1 – 1.2 – 1.3 – 1.4 – 1.5 – 1.6 – 1.7 – 1.8 – 1.9 – 1.10 – 1.11

第二部分：一維波運動 – 2.1 – 2.2 – 2.3

第三部分：應用 – 3.1 – 3.2 – 3.3 – 3.4 – 3.5 – 3.6 – 3.7 – 3.8 – 3.9 – 3.10 – 3.11 – 3.12 – 3.13 – 3.14 – 3.15 – 3.16 – 3.17 – 3.18 – 3.19 – 3.20 – 3.21 – 3.22 – 3.23 – 3.24

簡介

麥克風是將壓力波動轉換為電訊號的裝置。當今主流娛樂行業中，主要使用兩種方法來實現這一點 - 動圈麥克風和電容式麥克風。壓電式換能器也可以用作麥克風，但它們在娛樂行業中並不常見。

動圈麥克風

動圈麥克風利用“法拉第定律”。該定律指出，當導體穿過磁場時，會在導體中感應出電流。在這些麥克風中，磁場來自永磁體。導體的兩種常見排列方式如下。

圖 1：動圈麥克風的截面圖

第一個導體排列方式是移動線圈。線圈通常是銅線，連線到圓形振膜或活塞，通常由輕質塑膠製成，偶爾也用鋁製成。衝擊在活塞上的壓力波動會導致其在磁場中移動，從而產生所需的電流。

圖 2：動圈帶式麥克風

第二個導體排列方式是懸掛在磁體之間的金屬箔帶。金屬帶響應壓力波動而移動，併產生電流。在這兩種配置中，動圈麥克風的原理與聲學換能器相同。

電容式麥克風

電容式麥克風透過電容的變化將壓力波動轉換為電勢，因此它們也被稱為電容式麥克風。電容器由兩個帶電導體組成，它們彼此之間保持相對較小的距離。描述電容器的基本關係是

$Q=C\times V$

其中 Q 是電容器導體的電荷，C 是電容，V 是電容器導體之間的電勢。如果導體的電荷保持不變，那麼導體之間的電壓將與 (a) 電容和 (b) 導體之間的距離成反比。

圖 3：電容式麥克風的截面圖

電容式麥克風中的電容器由兩部分組成：振膜和背板。振膜由於衝擊的壓力波動而移動，背板保持靜止。當振膜靠近背板時，電容增加，產生電勢變化。振膜通常由金屬塗層聚酯薄膜製成。容納背板和振膜的元件通常稱為麥克風頭。

為了使振膜和背板保持恆定的電荷，必須向麥克風頭提供電勢。這可以透過多種方式實現。第一種方式是使用電池向麥克風頭提供所需的直流電勢（圖 4）。麥克風頭引線上的電阻非常高，範圍在 10 兆歐姆左右，以使麥克風頭上的電荷保持接近恆定。

圖 4：內建電池供電的電容式麥克風

另一種在電容器上提供恆定電荷的技術是透過承載麥克風輸出訊號的麥克風線纜提供直流電勢。標準麥克風線纜被稱為 XLR 線纜，以三芯聯結器終止。第一芯連線到線纜周圍的遮蔽層。麥克風訊號在第二芯和第三芯之間傳輸。

圖 5：透過 XLR 線纜連線到調音臺的動圈麥克風

48V 幻象供電

透過麥克風線纜提供直流電勢最流行的方法是向麥克風輸出引線（第二芯和第三芯）提供 +48V 電壓，並使用線纜的遮蔽層（第一芯）作為電路的地線。由於第二芯和第三芯看到的是相同的電勢，因此麥克風供電電勢的任何波動都不會影響連線的音訊裝置所看到的麥克風訊號。+48V 電壓將在麥克風中使用變壓器降壓，並以類似於電池解決方案的方式為背板和振膜提供電勢。

圖 6：電容式麥克風的供電技術

12V T-供電

一種不太常用的方法是透過電纜提供 12V 電壓，連線到第 2 和第 3 腳，這種方法被稱為 T-供電。T-供電的主要問題是，聲囊供電的電壓波動會傳遞到音訊訊號中，因為分析麥克風訊號的音訊裝置無法區分是由於聲壓波動造成的 2 和 3 腳之間的電壓變化，還是電源電壓波動造成的電壓變化。

駐極體電容式麥克風

最後，振膜和背板可以使用一種保持固定電荷的材料製造，稱為“駐極體”（electric+magnet 的組合，因為這些材料可以被視為永久磁鐵的電氣等效物）。因此，這些麥克風被稱為駐極體電容式麥克風 (ECM)。在早期的駐極體設計中，材料上的電荷往往會隨著時間的推移而變得不穩定。科學和製造技術的進步有效地消除了當前設計中的這個問題。