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音频电子学概论:声音,麦克风,扬声器和放大器

助工
2018-09-20 10:35:18    评分

本文将介绍音频电子设备的基础知识,将声音信号转换为电信号,处理这些电信号,并将其转换回声音。

声音基础

在讨论音频相关电路和电子设备的特定组件之前,让我们先来讲一下声音基本概念的速成课程。

声音只是一种通过介质(如空气或水)振动的能量; 在特定频率范围内,这种能量被人耳解释为声音。

声音由三个基本要素组成:

  • 频率:振动发生的速度

  • 强度:声音有多大

  • Timbre:声音的质量

人耳可以检测20至20,000Hz的声音频率然而,人耳对2,000至5,000Hz范围内的频率(即能够辨别最低强度)更敏感回想一下,赫兹(Hz)是一个定义为每秒周期数的单位。

声音的强度对应于与该声音相关的能量。分贝(dB)被用于一种方式,是有关人类如何感知响度测量声音的能量。

在音频的上下文中,分贝定义如下:

dB = 10 log 10(I / I 0


  • I =测量强度(W / m 2

  • 0 = 10 -12 W / m 2,表示人耳可检测到的最低声强

下图显示了各种声音及其dB强度测量值。

 

声音及其强度的示例(以dB为单位)。图片由ODYO Hearing Care提供

 

Timbre是当泛音(也称为谐波)与基频一起出现时出现的复杂波形。例如,音叉设计用于产生恰好一个特定频率,称为基频。假设我们有一个产生中音C音符(261.62 Hz)的音叉 。由于音叉仅产生一个频率,因此不存在其他频率(泛音)。

但是,如果您在小提琴上听到中间的C,请点击此处听小提琴中间的C,您将听到基本频率(261.62 Hz)和其他各种频率(虽然不太强烈)的频率(泛音)。每个泛音的特定强度在很大程度上归功于为乐器(或人的声音)提供其独特的音色(也称为音调质量)。

 

麦克风:动态,冷凝器和驻极体

麦克风负责将声压的变化转换为电流的变化。声压变化强度对应于麦克风产生的AC电压幅度同样地,频率的声压的变化对应于所述频率的交流电压的。显然,如果存在任何泛音,它们也存在于由麦克风产生的电信号中。

三种常见类型的麦克风如下:

  • 动态

  • 聚光器

  • 驻极体

 

动态麦克风

动态麦克风由塑料膜片,音圈,和永磁体的。见下图。

 

动态麦克风横截面。图片改编自MediaCollege.com

 

当对隔膜施加变化的声压时,音圈在磁铁的磁场中来回移动,从而在音圈的引线上产生电压。因此,声压被转换为电压信号。

已知动态麦克风非常坚固,能够在宽温度范围内操作,以提供平滑和扩展的频率响应,并且不需要外部电源。它们广泛用于公共广播和高质量录制等应用。

 

电容式麦克风

所述冷凝器麦克风(参见下图)使用一对带电板可以更靠近在一起或强制相距更远通过在空气压力(即,声音)的变化。在这样做时,带电板的作用就像一个声敏电容器。这种类型的麦克风与低噪声,高阻抗放大器配合使用。

电容式麦克风以提供清脆,低噪音的声音而闻名,并用于制作高质量的录音。

 

电容式麦克风的基本组件。图片改编自  ProSoundWeb

 

驻极体麦克风

一个驻极体麦克风实际上是一个麦克风和一个封装JFET。JFET的栅极提供非常高的阻抗,因此确保驻极体元件上的电荷保持固定。电荷必须保持固定,以确保电容的变化(由声波引起)导致电压变化。JFET还将变化(栅极)电压转换为变化(漏极 - 源极)电流。虽然驻极体元件本身不需要电力(因为其永久充电),但整个驻极体麦克风装置需要电源,因为集成JFET需要偏置电流。

众所周知,较旧的驻极体麦克风性能较差,但现代设备可与电容式麦克风竞争。

 

一个驻极体麦克风,图片改编自  西北大学

 

麦克风将声音信号转换为电信号。扬声器完全相反:它们将电信号转换为声音(声音)信号。

动圈式扬声器采用与动圈式麦克风相同的工作原理,是目前最流行的扬声器。当变化的电信号(电流)通过由磁铁围绕的可移动线圈(音圈)引导时,线圈前后移动。连接到动圈的锥体(通常由纸制成)然后产生与通过扬声器线圈驱动的电信号相对应的气压(即声波)的变化。

 

动态扬声器的一部分。图片由  虚拟应用科学研究所提供

 

每个扬声器都有一个标称电阻 - 或者更准确地说是阻抗 - 表示扬声器引线之间的平均电阻。因此,当串联和并联放置时,扬声器的行为类似于电阻器。见下图。

 

并联扬声器与并联电阻器的行为相同。

 

频率响应是一种重要的扬声器特性,代表扬声器成功传播声波的频率范围。

扬声器可根据其设计的频率范围进行分类:

  • 低音扬声器专为低频(低于200 Hz)设计的扬声器

  • 中频扬声器设计适用于500 Hz至3000 Hz的频率

  • 高音扬声器:专门设计用于处理高于中音扬声器频率的专用扬声器类型

  • 全频扬声器:能够处理100 Hz至15,000 Hz的频率

与由低音扬声器,中音扬声器和高音扬声器组成的音响系统相比,全频扬声器具有较差的音质。这种三路扬声器系统如下所示。

 

典型的三声扬声器系统,包括高音扬声器,中音扬声器和低音扬声器。图片改编自  佐治亚州立大学

 

放大器101

音频放大器有三种类型的分类:

  • 前置放大器

  • 低功耗放大器

  • 功率放大器

音频前置放大器(通常简称为“前置放大器”)是来自麦克风放大非常弱的信号,作为一个例子,到足够强的信号操纵的半导体设备。前置放大器通常是简单的固定增益放大器,专为低噪声性能而设计。

低功率放大器通常被用来操纵信号,包括这样的方面音量和频率均衡。这种类型的放大器通常集中于以期望的方式改变信号的特性,同时引入尽可能少的不想要的失真并且可以提供很少或没有实际的功率放大。

音频功率放大器(“功率放大器”)用于增加信号功率以驱动负载,例如输出扬声器。与前置放大器类似,功率放大器通常是固定增益(就信号幅度而言),因此设计人员可以专注于高功率增益和通常产生的功率处理挑战。在高功率和高保真度不是关键因素的简单音频系统中,单个放大器电路可以执行所有这些功能,事实上,专门设计的运算放大器,例如LM-386低压音频功率放大器,经常用这种方式。D类音频放大器是开关或PWM放大器,其中开关完全导通或完全关断,这显着降低了功率损耗。D类放大器有许多不同的形式,包括一些具有数字输入,另一些具有模拟输入。

结论

音频电子设备可以概括为将声音转换为电信号,处理电信号,以及将这些处理后的信号转换回声音。这是一个直截了当的目标; 尽管如此,这个电气工程学科涵盖了EE世界的许多领域。事实上,许多执业工程师花费他们的整个职业生涯来研究,开发和设计音频电子设备和相关设备。




关键词: 音频电子学     声音     麦克风     扬声器     放大器     半导体    

院士
2018-09-20 23:28:34    评分
2楼

谢谢分享。


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