加载中…[转载]高指向性超远距拾音装置的研究(第一部分）
(2014-06-22 17:15:10)
标签：
转载 |
分类： 我的日记 |
创造发明研究报告
高指向性超远距拾音装置的研究
久隆模范中学 金一鸣
摘要：
本装置解决了在记者招待会等场合来回传递话筒的问题。解决的方法是设计一种远距离拾音装置，放在固定的位置，可以像摄像机镜头一样，只要把它对准谁，就可以把谁的声音放大。原理是利用旋转抛物面或椭圆面聚焦，将一个低指向性话筒放在抛物面的焦点上，它就可以有选择地将抛物面（或椭圆面）前方主轴方向的声音进行放大。
一、课题的确立
在各种记者招待会或是学术论坛上，为了让全场的听众都能听清台下发言者的声音，传递话筒总是一个费时而又麻烦的工作。如果每个人都配有一个话筒，这又将成为一件高成本而又更麻烦的事情，这几乎是不可能的。而设计一种高指向性、灵敏度又很高的话筒则应该是很现实的。
从灵敏度方面来考虑，一方面，无论是动圈式话筒，还是电容式话筒，提高灵敏度都是有限的，当然可以利用多级放大电路来放大声音信号，理论上可以无限放大。但是，放大有用声音的同时，周围的背景声音也同时被放大，声音虽然很大，但一片杂乱，那么仍然无法听清发言者的声音。
所以仅从灵敏度角度来考虑这一问题是完全不够的，而更重要的是要考虑话筒的指向性问题。
二、现有的技术
现有的话筒按工作原理大致分为动圈式和电容式两类。而按指向性可分为无指向性、单指向、双指向等。直观表征话筒指向性的是指向性曲线，它是将话筒前后360度各个方向的灵敏度以极坐标的方式表示出来。
如图一就是双指向、单指向和全指向话筒的指向性曲线，极坐标中的极角表示方位，0度为话筒正前方，180度为话筒正后方；极径表示话筒的灵敏度。由图中曲线可以看出，全指向性话筒是没有方向性的，即话筒各方向的灵敏度都是相等的，而单指向性话筒的方向性是最强的。
http://s6/bmiddle/59cc837bh6ef13b44dab5&690
对于动圈式话筒和单振膜电容式话筒，其指向性是由振膜前后两侧的声压差来决定的，也就是靠改变话筒的内部结构来改变指向性的；而对于双振膜电容式话筒则可以通过改变两个振膜上的极化电压比来改变指向性。
话筒的指向性越强，则屏蔽其他方向的声音的能力越强，对特定远距离对象声音拾取能力就越强。而利用现有技术所制造的剧场使用的所谓“远距超指向话筒”所能清晰拾取声音的距离也不过2米远而已。这还远远不能满足本文开头所述的记者招待会及学术论坛不传递话筒的需要。
三、关于课题的思考
科技馆的声聚焦实验演示（图二）启发了我。
http://s12/bmiddle/59cc837bh6ef13e0e18ab&690
声聚焦是运用了抛物面的数学性质：抛物线上的一点的法线平分过这点的主轴平行线与这点到焦点的连线所组成的角（图三）。从物理学上来理解，也就是平行光线沿主轴射向抛物面时，会聚焦在抛物面焦点。对于声音来说也应该有类似的特性。如果把话筒放在抛物面的焦点处，远处某点传来的声音可近似地看作平行的声波。这样，抛物面主轴所对应的方向传来的声音就会被放大。这就是我解决这一问题的数学物理原理。
四、实验验证
（一）主观定性验证
为了验证上述想法，我们把一个卫星电视地面接收天线的反射抛物面罩架在了学校报告厅的舞台边缘（图四）。在抛物面开口的正前方约十米处放置了一个收音机。调整抛物面的方向和收音机的位置，使收音机位于抛物面的主轴上。然后打开收音机，将耳朵凑在抛物面前方焦点附近，反复移动头部。果然存在一点，收音机的声音特别响亮，而且方向是来自抛物面。
http://s9/bmiddle/59cc837bh6ef1415b7338&690
接着利用话筒架将报告厅的话筒架在那一点上，慢慢地向抛物面的侧面退至8米左右的距离，距离音箱约5米，此时感觉收音机播放的声音来自音箱。而此时将话筒从那一点移开，则感觉声音来自收音机。这就说明，这种方式能够有选择性地放大特定方向的声音。
（二）定量分析
通过以上主观的感觉，证明上述想法还是可以实施的，这坚定了我的信心，于是又进行了下面的实验测量。
首先，我们将收音机换成了一个音频信号发生器，改变话筒的位置、声源的位置、声源的频率，用万用表测量音箱输入的电平。将测得的数据通过描点法得出图五、图六所示的曲线。
声源距抛物面中心3.5米 频率500Hz
|
话筒距抛物面中心距离(cm） |
0 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
100 |
110 |
115 |
125 |
150 |
200 |
|
万用表读数（10v交流） |
0.8 |
0.5 |
0.8 |
0.7 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
1.1 |
2.1 |
1.6 |
1.2 |
0.6 |
0.5 |
1.1 |
声源距抛物面中心6.1米 频率500Hz
|
话筒距抛物面中心距离(cm) |
0 |
20 |
35 |
40 |
43 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
100 |
125 |
150 |
|
万用表读数（10v交流） |
0.4 |
1.0 |
1.3 |
1.3 |
1.4 |
1.2 |
1.3 |
1.3 |
1.3 |
1.4 |
1.3 |
1.1 |
0.9 |
0.8 |
0.4 |
0.3 |
声源距抛物面中心2.5米 频率500Hz
|
话筒距抛物面中心距离(cm) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
43 |
45 |
50 |
|
万用表读数（10v交流） |
1.0 |
2.1 |
2.6 |
3.1 |
3.3 |
3.9 |
4.0 |
3.9 |
3.7 |
3.6 |
4.0 |
4.0 |
（续表）
|
话筒距抛物面中心距离(cm) |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
100 |
110 |
120 |
130 |
|
万用表读数（10v交流） |
3.8 |
3.7 |
3.4 |
2.7 |
2.2 |
1.8 |
1.7 |
1.9 |
2.1 |
2.3 |
1.5 |
0.8 |
1.3 |
从这个实验中，可以看出我们总能在抛物面顶点40 ——60 厘米的范围内找到数据的最大值或者第二最大值。因此我们认为把话筒固定于距抛物面顶点50 厘米处能使该话筒装置获得最佳效果。而利用数学方法推算出的焦点是距离抛物面顶点45厘米。之所以有此差别，是由于我们的声源并非来自“无穷远”，并非平行声波。至于曲线有两个峰值，大概是因为周围物体反射造成的。
喜欢
0
赠金笔