在任何一個音響系統中,無論音源是歌唱、樂器,甚至是錄音帶、唱片,麥克風總是因緣的次一級。雖然各式各樣的麥克風有千百種,可是它的基本功用都是把空氣中的振動,也就是聲音,轉變成電壓。
以目前的工業技術,要把一個音頻電子訊號放大幾百倍,失真率在萬分之一以下,實在是件輕而易舉的事。但是在把機械能和電能互換這一方面,不要說失真率,要想做到平坦的頻率響應,都是不容易的。目前有許多種麥克風,無論在頻率響應或者是失真率方面,可以說做得真是好,但是它的價格卻也真是貴得嚇人。
麥克風按照它構造和工作原理的不同,大致可分為碳粉粒麥克風(Carbon Microphone)、晶體式麥克風(Crystal Microphone)、動圈式麥克風(Moving Coil Microphone或Dynamic Microphone)、鋁帶麥克風(Ribbon或Velocity Microphone)、電容式麥克風(Condenser Microphone)。
碳粉粒式麥克風
這種麥克風的構造極為簡單(圖一),由一個振膜和一個裝滿了碳粉粒的小杯子所構成。振膜感應到聲波,把這個聲壓傳到小杯子中的碳粉粒,碳粉粒的阻抗就隨之改變,因而產生了訊號電壓。
因為即使在無聲的狀況下,碳粉立本身的接觸阻抗會一直不斷的有著小小的改變,產生了連續的絲絲聲(Hiss),再加上這種麥克風的頻率響應只能從60Hz到7KHz,所以不是用於高級Hi-Fi系統。但是因為這種麥克風的輸出很大,價錢便宜,在許多場合仍然大量採用。Shure 104A就是這種麥克風。
晶體式麥克風
在自然界中存在著許多種晶體,當這些晶體受到某一特定方向的力,無論是推或是拉,就會產生感應出電壓,這種把機械能轉變成電能的現象叫做壓電現象(Piezoelectric Crystal)。晶體式麥克風就是利用壓電晶體的這種特性,把聲波轉變成電子訊號。這種麥克風的基本構造是一片振膜聯提著一塊壓電晶體(圖二),振膜接收到音波,把音壓轉變成推或拉晶體的力,晶體受力產生了感應電壓。一般在晶體麥克風中採用的晶體,不是自然界的產物而是人工合成的,叫做「酒石酸鉀鈉」因為這種晶體的靈敏度很高,約為天然石英晶體的一百倍。
晶體麥克風的輸出阻抗高達十萬歐姆,頻率響應則介於50至10,000Hz。這種麥克風最大的缺點是晶體的本身,除了頻率響應不夠寬,失真率較大以外,非常容易受潮濕和溫度的影響,雖然麥克風是整個密封,但是仍然無法完全避免潮濕的影響;此外當是溫升高到55℃以上時,壓電現象會消失,麥克風無法使用。雖然近來採用陶瓷來取代「酒石酸鉀鈉」,可以不受潮濕和溫度的影響,但是還是不適合高極Hi-Fi系統,在一般廣播系統中,因為這種麥克風價格低,輸出大,輸出阻抗高,可以不用麥克風前置擴大器,所以仍然被大量採用。這種麥克風有SHURE 201、202等。
動圈式麥克風
這種麥克風的構造比前面兩種麥克風要複雜多了(圖三),一塊永久磁鐵,它的兩個極非常接近,絕大部分的磁力線都在這兩個極的間隙中,在這很小的間隙中插入一個很薄,但圈數相當多的音圈,音圈和振膜相聯接。當振膜接受到聲波振動時,音圈也跟著振動,切割磁力線而產生感應電壓。動圈式麥克風的輸出阻抗,一般都是30到50歐姆,為了提高阻抗,麥克風本身附有變壓器,把阻抗提升到200歐姆或更高。讀者如果對於喇叭的構造相當熟悉,就會發現這種麥克風的構造和喇叭非常相似,事實上它正是喇叭的相反。
動圈式麥克風失真率相當低,頻率響應也很寬,構造很結實,不太受溫度和潮濕的影響。這種麥克風最大的缺點是振膜和音圈的質量太重,對於纖細聲音的接收較差,尤其是當它接近樂器時,缺點更明顯,所以還不夠資格在錄音室中使用。但是在一般講話或現場表演等要求不高的場合,卻被大量使用。要注意的是同樣動圈式麥克風,好壞的價格可以差上幾十倍。這種麥克風有Astatic 850S, Beyer M111N等。
鋁帶式麥克風
鋁帶式麥克風的基本工作原理和動圈式相同,它是針對動圈式麥克風振膜和音圈太重而改良設計的。一片很薄的鋁膜,上面摺成許多波紋,然後放置在一個很強磁場中(圖四);它本身既是振膜也是感應電壓的音圈,質量又輕,活動很自由,所以對音波非常敏感。它的工作原理是比較鋁帶兩面空氣的速度,所以也叫作Velocity Microphone。鋁帶式麥克風的輸出阻抗約¼歐姆,用附在麥克風內的變壓器把阻抗上升到200歐姆或更高。
鋁帶式麥克風對頻率響應非常好,失真率很低,價格並不比某些動圈式麥克風貴。有些廠家為了降低失真率,在一個麥克風內用了兩條鋁膜,以抵消失真。在高級Hi-Fi或現場表演已經大量採用這種麥克風,但是在錄音室中還只能給人聲用,樂器部分還是要差一點。為了增高鋁帶的活動性,就必須做到儘量的讓鋁帶自由活動,脆弱就成了這種麥克風的缺點。在早期,這種麥克風的使用說明上,規定音源必須距離麥克風45公分以上;現在雖然已經大有改善,可是用力吹氣或跌在地上,還是可能造成這種麥克風永久的損壞。Beyer 160、Shure 330都是這種麥克風的代表。
電容式麥克風
電容式麥克風顧名思義,就是和電容器一樣的。它的構造(圖五)是兩片非常接近的板,其中一塊是固定不動的,另一塊就是振膜,振膜接收到音波,就會改變振膜和固定板的距離,也就是改變了電容量。這個可變電容和一個很大的電阻串聯,再和一個電池形成一個迴路,電容量的改變引起了迴路上電流的改變,電流在電阻上的電壓也跟著改變,這個改變的電壓就是音訊電壓。
電容式的輸出非常小,為了提高S/N比,必須在麥克風的輸出點立刻接上一個放大器;有的廠家把麥克風和放大器作成一體,有些廠家則把麥克風和放大器分開製造。但是有一個插頭可以一插就成一整體,這種方法可以製造許多不同的麥克風頭而只製造一種放大器,適合每一種麥克風頭使用。
除了放大器以外,電容式麥克風還需一個額外的直流電源,以供電容器極化用。在早期真空管時代的電容式麥克風,還附帶一條交流電源線,插在市電上才能使用。這是電容式麥克風雖然發明了那麼久而一直到近來才被比較普遍使用的原因;太笨重、太不方便了。近幾年固態電路取代了真空管,一個小小的電池就可以供一個麥克風放大器幾十個小時的使用,再加上一種新的材料叫作Teflon,這種材料在製造麥克風的振膜和固定板時就先把它極化了,省去了極化電壓這種麥克風叫作Electret Condenser Mic。這些一連串的改進使得電容式麥克風的體積大大的縮小,和一般動圈式麥克風相似,價錢也大大的降低。
電容式麥克風因為失真率非常低,頻率響應非常好,在高級的Hi-Fi系統和錄音室裡是絕對不可或缺的。較高的價格(約為鋁帶式麥克風的五到二十倍),是這種麥克風沒有被很普遍採用的原因。但是筆者相信,再過一段時間,當這種麥克風的優點和可靠性被大眾了解以後,必定會取代鋁帶式或動圈式麥克風目前在現場表演的地位。這種麥克風有AKG的C12B Nevmann的U87i。
麥克風的靈敏度(Sensitivity)
一般人對麥克風的特性有許多錯誤的認識,其中最常見的就是對麥克風靈敏度的錯誤認識;甚至有許多出售麥克風的店,還對買主說,這種麥克風只能接收二十公分以內的聲音。按照物理定律,任何哪一種麥克風,無論型式或貴賤,都遵守平方反比定律,麥克風和音源的距離每加大一倍,輸出減小6dB,也就是4倍。除了一種所謂雜音消除麥克風(Noise-Cancelling Mic),只能接收五公分以內的聲音是例外,可是太差的頻率響應和太大的失貞率,只有計程車司機和飛機駕駛員,才用它來免除四周的雜音的干擾。
講了半天,到底麥克風靈敏度的定義是什麼?我舉一個簡單的例子:把五個不同的麥克風,統統插到一個訊號混合擴大機上(Mixing Amplifier),把各個音量、音調都放在相同的位置,然後每一次對一個麥克風講話,相同的音量,一樣的距離,結果有幾支麥克風的聲音比其他麥克風的聲音響些。並不是響些的麥克風價格較高,而是響些的麥克風輸出較大,也就是靈敏度較高。麥克風的製造廠家,在測定麥克風的靈敏度時,所使用的方法和上面所舉的例子類似;把一個1,000Hz的聲音,加大到麥克風振膜上的音壓(Sound Pressure Level)等於94dB;在這個狀況下所測得的輸出值就是這個麥克風的靈敏度。靈敏度表示的單位是dBm,一般麥克風的靈敏度從-50dBm到-65dBm,後面阿拉伯數字越大,代表靈敏度越低,反之數字越小,代表靈敏度越高。
一般人的直覺反應是買一支高靈敏度的麥克風,可以使音響系統的聲音大些。事實上絕大部分的麥克風前置放大器,都有足夠的放大率,能夠使靈敏度很低的麥克風,放大到需要的電平。在某些狀況下,高靈敏度麥克風會產生過大的輸出,而導致麥克風前置放大器過負荷失真,這時候採用低靈敏度的麥克風反而更好些。比如說在一場熱門搖滾樂的表演中,音壓可以高達134dB,在這種音量下,為了避免失真,就必須採用一種叫做mic pad的傳輸線,接在麥克風和麥克風前置擴大機之間,衰減麥克風訊號。常用的mic pad衰減10到15dB,如Shure A15 Microphone Attenuator衰減15dB。當使用電容式麥克風時,因為麥克風本身附帶的放大器把訊號提升到-34dB到-40dB,所以要特別注意,必須採用衰減20dB到30dB的mic pad,或者把兩個10或15dB的mic pad串聯使用。
麥克風的方向性
麥克風因為使用的場合不同,對不同方向的靈敏度也有不同的要求。有的麥克風被要求用來接收四面八方的聲音,有的麥克風則被要求只接收某一個方向的聲音而抑制其他方向的聲音,這就是麥克風的方向性。
麥克風的方向性有四種: 無方向性(nondirectional、單一方向性(unidirectional)、半方向性(semidirectional)、雙方向性(bidirectional)。
無方向性麥克風,又被叫作omnidirectional,它的接收圖形是一個圓球形(圖六),對任何一個方向,它接收聲音的靈敏度都是一樣的。在這裡要注意的是,平方反比定律在這裡還是必須遵守,對不同距離的聲音,無方向性麥克風的輸出還是不一樣的。在回授和雜音問題不必注意的地方,像錄音室中,可以用這種麥克風一次接收好幾個音源的聲音。無方向性麥克風的品質能做到相當好,頻率響應非常平坦,可以勝任樂器的再生,但是因為無法抑制前方和兩旁的雜音,以及缺乏接近效應(proximity effect見下文),所以很少用於歌唱或現場表演。
單一方向性麥克風,它的接收圖好像一個心形(圖七),所以常常被叫作cardioid。這種麥克風能把背面和兩旁的聲音降低15dB到20dB。在絕大部分的現場表演或講演時,這種心形接收特性能使現場的音量開得夠大,而回授還不致發生;同時前方和左右的雜音不會干擾使用者。尤其是當台上有監聽用喇叭時,可以讓麥克風非常接近監聽喇叭而回授還不致發生。單一方向性麥克風最適合單人表演或者是小型的團體表演,如果是大型的團體表演,就必須使用許多支這種麥克風。
半方向性麥克風的接收圖形如圖八,是一種方向性不強的麥克風,介於單一方向性和無方向性之間,用途不太廣泛。雙方向性麥克風(圖九)只能使兩旁的聲音降低,最適合兩個人在相反方向的表演或者是新聞訪問用,或者是當兩旁的聲音反射很強,甚至喇叭就裝在兩旁;這種麥克風在這種場合可以防止回授的發生。
接近效應
接近效應(proximity effect)是單一方向性麥克風所特有的。當這種麥克風接近一個大的物體時,它對低頻的輸出會提高10到15dB。對一個歌手,尤其是缺乏低音的女歌手來說,能使她的聲音聽起來更柔和,這種低頻效果的增加是很必要的。當麥克風離嘴越遠的時候,這種效應就會越不明顯。一個有經驗的演員,能藉著調整麥克風和自己的距離來改變自己的音量和音調。在這裡要特別提出來注意的,當有接近效應的麥克風被用來接收像鼓聲這一類低音特別強的樂器時,接近效應會使低音過強,造成強烈的失真;有時候甚至會把低音喇叭裡的音圈震出磁隙而損壞。在接收這一類樂器的時候,應該採用沒有接近效應麥克風,也就是無向性麥克風。
麥克風的輸出阻抗和阻抗耦合變壓器
麥克風的輸出阻抗有200歐姆、600歐姆、50千歐姆等許多種,可是一般在使用上只是把它分為高阻抗和低阻抗兩種。高阻抗麥克風的優點是功率在麥克風線上的損失比較小,但是缺點是因為麥克風線上的電容會衰減麥克風輸出的高頻部份,同時外界雜音的干擾也比較厲害,在高級Hi-Fi系統中很少使用。低阻抗麥克風的優點是高頻輸出在線上的損失很小,外界雜音的干擾也很小,它的缺點則是在傳輸線上的直流電阻損失,只要麥克風前置放大器的增益夠高,這個缺點的影響就很小,一般高級Hi-fi系統都採用這種麥克風。
在低輸出阻抗麥克風和麥克風前置放大器之間,都必須有一個阻抗耦合變壓器;一方面是減低失真,一方面是提高S/N比。在一個放大器裡,輸入越高,對放大器所要求的S/N比就越低。麥克風的輸出非常小,只有幾毫伏,如果直接進入放大器,放大器的S/N比就必須相當高,這時候用一個變壓器把輸出放大十倍以上,放大器的S/N比要求就可以下降20dB以上。麥克風阻抗耦合變壓器有好幾種裝法,一種是高級的麥克風前置放大器,本身就有阻抗耦合變壓器;六外有一個切換開關,可選擇高輸入阻抗或低輸入阻抗。在比較廉價的麥克風前置放大器中,這個阻抗耦合變壓器就沒有裝在裡面,也就是只能適用於高阻抗麥克風,如果要使用低輸出阻抗麥克風,就必須使用外加麥克風阻抗耦合變壓器。這種阻抗耦合變壓器每一家麥克風廠都生產,為了使用方便一般都作成一端是插頭另一端是插座的型式,只要把這個變壓器插入原來麥克風的插座和插頭的中間就行了(圖十)。
在一個PA系統中,麥克風線常常長達五十米以上,在這麼長的傳輸線上難免會有感應雜音的產生,尤其是在夜總會裡,大量使用調光器,雜音尤其厲害。平衡式麥克風阻抗耦合變壓器就是為了這個狀況而設計的,這種變壓器的構造如圖十一,類似早期推挽式(Push- Pall)真空管輸出變壓器,這種變壓器能抵銷線上的雜音,在長距離輸送訊號時能升高S/N比。
麥克風的訊號輸送線
麥克風的訊號輸送線一般稱為隔離線(shielded cable)。按傳輸方式的不同,可以分為單心隔離線供不平衡式輸送訊號用和雙心隔離線供平衡式輸送訊號用。按使用的不同又可以分為兩種;;一種是連接在麥克風下方可自由活動的訊號傳輸線;好的這種線(圖十二)是用兩條由十五心以上幼細合金線組成的訊號傳輸線,外面用較粗的合金線織成網狀,其中還編入韌性很強的紗線,以加強拉力。另外一種是不活動的,一般穿在暗管中,這種線(圖十三)好的用兩條由十二心以上的幼細合金線組成的訊號傳輸線,外面包一層鋁箔,鋁箔外面再繞一條由許多股合金細線捲成的線以供接地用,另外再加一根幼線以增加強度,這種線對外雜音的隔離非常好。
麥克風的其他附件
麥克風桌上座架,一般是用一塊質量較重的盒子作座。裡面有按紐廣播開關(Push to talk switch)或遙控開關。架子最常見也是使用最廣的就是鵝頸架(gooseneck),因為這種架能自由彎曲(圖十四),調整高低方向最方便。
麥克風落地架,一般是用一塊質量很大的圓板或三支腳架子立起來,架子有兩截可自由調整高低。另外有一種橫的架(Baby boom)是和立架合用的,是專門給一邊演奏樂器一邊唱歌的歌手用的。(圖十五)
麥克風夾(Speed lock clamp)固定在落地麥克風架上,和普通夾子的構造樣,用來夾住麥克風,使取架麥克風極為方便。(圖十六)
防風罩(Windscreen)套在麥克風的頭上,防止風的聲音進入麥克風。(圖十七)
怎麼樣來選擇一個適當的麥克風
決定使用哪一種麥克風的因素很多;頻帶的寬窄、雜音的大小、靈敏度的高低、經不經得起震動、能不能適應風吹日曬,價格的貴賤。無論哪一種麥克風都不是全能的,一定有它的缺點,頻帶寬雜音小的麥克風往往較脆弱,靈敏度較低,不能受風吹日曬;能經得起風吹日曬,構造堅固,靈敏度夠高的麥克風,又常常頻帶不夠寬,雜音太大。在選擇一個麥克風時,必須先把場地環境仔細的分析,面面顧到再做決定,可是有的時候還是必須犧牲一些,譬如載歌載舞的場合,為了失真小必須使用較好的麥克風,但是常常會被摔壞,有時候只有忍受脆弱性了。
一個有經驗的人選擇麥克風,不但效果好而且價格也比較便宜。舉一個例子,選擇一個錄小提琴的麥克風,當然全音錄的麥克風是可以勝任,可是因為小提琴的聲音偏向高頻,選一個高頻特性好的麥克風,效果一定好而且價格說不定還便宜些,所以在做決定之前,不妨多看幾種麥克風,說不定可以選到更適合你需要的麥克風呢!
轉載音響技術第1期 JAN. 1976 麥克風及其附件/吳介之
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