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破解“传音入密”的神话
日期:2014-04-17 16:06点击数: 次 来源:

    武侠小说中有一种近乎神话的武功,叫做“传音入密”。说的是说话人可以将说话的声音凝聚成线,直接送到受话人的耳中。也就是说,只有受话人可以听见说话人的声音,在场的其他人都无法听到。这当然只是小说的夸张描写,是小说家和读者的一种愿望,现实生活中的人,没有这样的能力。那么,是否可以通过电子设备,实现这一愿望呢?这要从电声系统说起。

电声系统

    传声器又叫话筒或麦克风,是把声信号变成电信号的器件。传声器如果质量不好,在把声信号转变为电信号时引入失真和噪音,整个电声系统的质量也就变坏。所以在要求美声享受的场合,就要选择高音质的传声器。

    电容传声器是由一个较厚的后极板和前面的金属薄膜构成电容。当声波入射到膜片上时,膜片振动,从而改变了膜片与后极板间的电容量,并在输出端产生一个与声信号波形相同的电信号。这种电容传声器可以做到在整个音频范围频率响应都是平的。它可作为精密测量用的接收器,或高档电声系统的声接收器。在后板上加一块驻极体片,就成为驻极体传声器,它的频率响应好,但稳定性不如电容传声器。

    电动式传声器结实牢固,经久耐用,不怕潮湿,耐寒耐热,稳定性很好,生产工艺简单,价格低廉,应用很广。它的输出阻抗很低,即使接很长的电缆也影响很小。因此,在普及型电声系统和语言通讯和广播中很适用。但如要求高的保真度,播放音乐艺术节目,还是用频率响应平的电容传声器为好。

    要把声音辐射出去就要使用扬声器。要求保真度高的电声系统大都使用纸盆动圈式扬声器。这种扬声器的膜片用特制的硬纸或其他材料做成圆锥形,以保持很好的劲度。扬声器锥体中间粘接音圈,当音圈通入交变电流时就带动纸盆运动并向外辐射声音。扬声器的纸盆越大,低频的音质越丰满,但会影响高频的频率响应。所以,剧场中或居室中的高质量扬声器系统都是由大小不同的扬声器组合而成,只要配合得好,可以在很宽的频带上保证平直的频率响应。

    单独一个扬声器在发声时纸盆前后振动,向前面发出的声压与向后面发出的声压相位正好相反,在低频上由于声波绕射,声波会相互抵消。把扬声器装在一个封闭型盒子面板的孔上,盒子里面再装上足够的吸声材料,吸收向后发出的声波,就解决了声波抵消的问题,这叫封闭型音箱。但如果音箱的体积不够大,扬声器后面的空间就会成为一个共振系统,使音质变坏。如果在封闭式音箱下部开一个口,装一段短管子,管子中的空气质量和音箱空间的空气的弹性形成一个低频谐振器。如果设计得好,从开口出来的声波会加强辐射,并改善低频的频率响应,这叫低音反射式音箱。

扩声系统

    现代厅堂体积不断扩大,要每个人都能很好的直接听演唱和演奏是不可能的,因此就要有扩声系统。扩声系统不但要求各个地方都能听得见、听得清,在进行音乐演出时还要求声音自然、优美,对于某些音乐还要求有空间感。

    目前的扩声系统很复杂,除了传声器与扬声器外,还有放大与控制系统、均衡器、延时器、分路放大等设备。扬声器的布置也很重要,高质量的扬声器组包括高音、中音、低音扬声器组合,以保证各频率的声音都有足够的强度。

环绕立体声

    简单的立体声技术是在接收声音时使用两套独立的传声器,记录两路信号,叫做双通道录声。放声经过两套独立放大器扬声器,或将两个通道的信号送到耳机两边,听起来就有一定的立体感。

    后来又发展了四通道系统,使用四个独立的传声器,放在前后左右四个位置,各传声器收到的信号通过独立的通道送到收听人前后左右四个位置上的四个扬声器,把声音放出,人在中间就有较好的立体感。有时觉得声音不是从任一个扬声器发出来的,而是在它们之间的某一个位置发出来的。四个扬声器再加上正面上方一个中央扬声器和下方一个扬声器,放出略有差别的声音,人们感觉声音是从前后左右来的,所以称为环绕立体声。

    在安排环绕立体声系统时要特别注意到扬声器的性能,如果左右两扬声器的频率和相位响应不同,则声音形象的方位就会随频率而变,发生模糊。如果扬声器的高频指向性过于尖锐,那么除了少数点外,其他方向的声音都感到是从扬声器来,而不是从中央形象来的,听众位置变一点往往会使声音形象有很大的变化。总之,要有很好的环绕立体声效果,对放大器和扬声器的频率、相位、指向性特性都要有很严格的要求。

超指向性声束系统

    将音频信号以幅度调制方式加载到高频超声信号上,驱动大功率超声换能器阵列,产生高指向性超声波束;通过空气声传播的非线性作用原理,产生高指向性音频波束。

    中国科学院声学研究所开发的这一高指向性的扬声器系统,横跨了超声和音频声的研究领域。声束系统有别于传统的扬声器单元或声柱,被称为“革命性的声重放系统”。

    超指向性声束的特点在于它的高指向性,利用超声换能器的高指向性,可定向播放音频信号,达到“传音入密”的效果。它还有良好的反射性,类似于光的反射,传播的可听声遇到墙或硬表面而反射,仍不失其指向性,可用于产生特殊的声效,如虚拟声源和环绕声场。在非线性作用下的累计声场效应,使得音频声在很长的距离上没有明显的衰减,做到远距离传播。
声学微机电器件与系统
    中国科学院声学研究所1999年即提出了声学MEMS的完整概念,陆续承担了中国科学院重大项目、“863”计划、国家自然科学基金专项重点等方面的相关项目研究,并首先在圆形振动膜的新型硅微电容传声器上获得突破,达到国际先进的技术指标,并具有高成品率、高灵敏度、工艺制备流程简单可靠、便于实现规模制造等优点。其性能达到或超过目前移动电话中使用的驻极体传声器指标。