话筒 （一种将声音转换成电子信号的换能器）

简介

话筒主要由换能元件、外壳以及插接件三部分组成，可以将声波转变为电能，但每种话筒完成转化的过程取决于话筒的质量以及用途。话筒的工作原理可概括为发声元件将薄膜因声压变化而产生的物理振动转换成电能。灵敏度、频率响应、指向性、输出阻抗、等效噪声、最大声压级、信噪比、动态范围等是其主要的技术指标。

话筒主要通过声电转换原理、信号传输方式、指向性等方式来分类，如根据不同的换能机理可将麦克风分为三种：动圈式、铝带式、静电式。不同类别的话筒被应用于电子、医疗、工业等领域，不同场景应用的麦克风可根据需求选取适当种类的麦克风以达到最佳效果，例如：多媒体教学使用无线麦克风；数码摄像机拍摄录音时需使用内置麦克风；专业麦克风用于演出、会议等。

发展历程

19世纪：诞生和摸索阶段

雷斯电话

1827年，英国物理学家查尔斯·惠斯首次提出麦克风的概念，同时他也是自动电报机的发明者。随后到了1861年德国发明家约翰·菲利普·雷斯将一个条形金属固定在振膜上，同时有一个金属触点和金属条接触构成电路。振膜震动时，触点上下移动，可产生间断的和震动一致的电流变化，但这个装置始终未能产生可以清晰分辨的人声，雷斯因此发明了雷斯电话，历史上第一个真正意义的麦克风由此诞生。

液体麦克风

1876 年，贝尔发现电话在语音传输时的杂音过多，不够清晰，当时用固体作为传声器，很难克服这些问题，为了改进这一问题，将液体麦克风应用于电话，使电话能够拾取更好的声音。贝尔动手制作器材：一根一边带有旁枝的金属管、一只喇叭、橡皮膜、底座。将它们组装起来后，整只金属管被固定在一块底座上，这就是最早的液体麦克风，外形像一个盛满水和硫酸的金属杯。不过，这个装置只能勉强使用，放大后的声音只能被简单识别，无法保证音质。相比雷斯电话，语言清晰度有所提升，但是由于液体的存在使得量产难度增大，因此阻碍了商用的步伐。

碳精麦克风

碳精麦克风的原型由德国发明家埃米尔·柏林内尔于1876年发明，但其噪声较大，不能用于音乐录音，后又经贝尔和爱迪生等人的改进，最终成为实用产品，被广泛应用于老式电话中。碳精麦克风外形好似小鼓，由两片金属薄片及其之间的碳粒组成。朝外的金属薄片用于传导振动，当声波使薄片振动时，其对碳粒的压力会发生变化，以至于碳精颗粒之间的接触电阻发生变化，电流随之变化，从而将声音转变为电信号。

动圈麦克风

最早的动圈麦克风由德国电气工程师西门子于1877年发明，其工作原理为：将线圈连接在柔性的软膜上，当声波到达并撞击软膜时，线圈随着振膜振动，线圈与磁铁之间的相互运动会产生电信号。但当时的磁体普遍孱弱，而变压器直到大约1885年才出现，所以西门子的麦克风并未获得巨大成功。直到20世纪30年代，美国西方电气公司基于前人的经验，开发了动圈式麦克风。2021年，赖清海发明一种防共振啸动的动圈麦克风，降低了麦克风的高频啸叫及低频共振的传导。

常见的动圈麦克风有EV的RE20、Sennheiser的MD421、Shure的SM等。EV RE20是广播主持和录音室旁白的最佳选择。RE20单一指向动圈话筒具有结构坚固、经久耐用等特点，具有极广的频率响应和优秀的瞬态反应，是专门为录音、广播和扩音而设计的。Sennheiser MD421是一款被大众所喜爱且拥有“鲸鱼”爱称的麦克风。由于它受气流“吹拂”影响很小，多用于鼓声收录，并且常被安置在鼓内。在这种情况下录音，稍稍超负荷的音质与鼓棒敲击鼓面所发出的声音绝妙融合，能营造出摇滚鼓音的效果。Shure SM58是一款歌手们广泛使用的麦克风，是实现“在自家录音”的首选。曾经有演唱会录像证明：原POLICE乐队的斯图尔特·柯波兰德在军鼓中也设置SM58来录音，这也说明它可用于各样乐器的声音收录。

20世纪至今：麦克风技术涌现

二十世纪，新的麦克风技术涌现，麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换。

铝带麦克风

铝带麦克风最早于1924年由德国科学家肖特基和格拉赫共同发明。其核心为一条薄铝带，利用铝带在磁场中的振动实现声电转换。铝带麦克风在麦克风历史中属于最老式的类型，其构造为：在磁石的周围垂吊着宛如丝带般的振动带，通过空气振动这些振动带产生电信号。小小的铝带能够敏锐地感知声音，所以其音频特性一般来说也较为宽广。它又被另称为“转速（速度）型”，一贯被用于冲击力强的日本和乐乐器（琴或三味线）的声音收录。

然而铝带麦克风受到“吹拂”时极其脆弱，外部冲击致使铝带断裂的情况屡有发生，因此在运用、保管方面要十分谨慎。再加上制造方法比较繁难，铝带麦克风便逐渐退出录音现场。但近来除了一些知名型号的铝带麦克风被再版之外，AUDIO-TECHNICA等麦克风制造商还开发出新型的铝带麦克风。AUDIO-TECHNICA AT4081是一款小巧的侧面振膜型铝带麦克风，在安置的灵活方便度方面比较突出。作为铝带麦克风的代表，RCA77DX值得一提，它从1940年便开始抛头露面，有时只在老音乐家的唱片封面上才可以一睹其历史风采。AEA发售了它的复刻版。

真电容麦克风

1916年，西方电气公司开发了最早的电容麦克风。电容麦克风总体上都利用电容的充放电原理，真电容麦克风的两层金属膜（或高分子材料）之间是空的，构成了电容。外层金属膜受声波冲击时，其与内层金属膜之间的距离会发生变化，从而改变电容，在电路中产生一个交流电，实现声电转换。由于电容麦克风的构造特征，它可以收录到更加清晰稳定、音域更广的音域。

尽管电容麦克风有很多优点，其使用难点在于体积庞大且价格昂贵，录音棚中准备好的电容麦克风数量是有限的。再者，电容麦克风需要直接向电极释放直流电，这种直流电必须从麦克风外部供给，靠一种被称为“幻象电源”的供给源，通过调音台、麦克风前置放大器或者专用电源箱向麦克风供给电源。而幻象电源通常使用信号专用的XLR信号线来对麦克风供给电源，若不满足环境条件，则不能使用。

MD4型麦克风

20世纪40年代，所有的制造企业在生产麦克风时都有一个共同的目标：尽可能的让麦克风拾音时具有全指向性，也就是说，使麦克风对声音更加敏感，令来自任何方向的音源均能够被拾取。1949年，由威尼伯斯特实验室（森海塞尔品牌的前身）研制的MD4型麦克风，能够在嘈杂的环境中降低背景噪音，是世界上第一款抑制反馈的降噪型麦克风。

驻极体麦克风

1961年，贝尔实验室改进了传统电容麦克风，使用驻极体材料，让电荷永久保存在驻极体中，驻极体麦克风由此推出。在国内，上海有机化学研究所与上海飞乐电声总厂首先制成驻极体话筒，并得到广泛应用。驻极体麦克风具有尺寸小、功耗低、价格低廉等优点，是手机、电话机等常用的传感器，具有声音交互功能的机器人，例如SONY AIBO和本田ASIMO，均采用此类麦克风作为声音传感器。

MK102麦克风、MK103麦克风

1961年，德国汉诺威的工业博览会上，森海塞尔推出MK102和MK103型麦克风，这两款麦克风采用小而薄的振膜，具有体积小，重量轻的特点，同时能够保持出色的音质。这两款麦克风对气候有很强的抗干扰性能，适用于探险队、气候恶劣的户外条件等全新领域。

微型机电系统麦克风（MEMS）

随着半导体和集成电路等技术的不断发展，把电容搬上硅片顺理成章，1983年，德国科学家塞斯勒和霍姆共同在贝尔实验室开发了第一款微型机电系统麦克风。MEMS麦克风最早源于采用了独立薄膜的压力传感器，是基于MEMS技术制造的，可以理解为将一个微型电容器蚀刻到半导体中。此类麦克风可以采用全自动表面装贴制程，简化了生产流程，可实现大规模生产，同时，体积与各项特性能够为使用者提供更高的设计自由度和系统成本优势，所以MEMS麦克风在市场上逐渐普及。

2003年，楼氏电子有限公司（Knowles Electronics，简称“楼氏电子”）率先将MEMS麦克风出货给日本手机制造商京瓷株式会社（Kyocera），开创MEMS麦克风进入商业市场的先河。2012年，MEMS麦克风营业额达到2.115亿美元，开始主宰手机市场。现今，每一款智能手机和平板中都装有MEMS麦克风，例如：AirPods Max总计配置9颗MEMS麦克风，强化了产品的降噪效果，同时也提升了MEMS麦克风的销量。在汽车领域也有MEMS麦克风的身影，2021年4月21日，英飞凌科技推出XENSIV™ IM67D130A，这是市场上首款通过汽车应用认证的麦克风。这款新器件结合了英飞凌在汽车行业的专业知识与高端MEMS麦克风的领先技术，可满足汽车应用对高性能、低噪声MEMS麦克风的需求。除此之外，MEMS麦克风还可应用于无人机的影片拍摄以及监控等行为。

数字式传声器

数字式传声器基本分为两种。一种是将模拟信号转换数字信号的模数变换器放在传声器壳体内，经过转换输出数字信号的传声器，其本质上仍是传统模拟式结构，拾音头与模拟传声器没有差别，只是将声电转变的模拟信号经内置的模数变换器进行数字化后输出。另一种是用声电换能器把声音信号直接转换成数字信号输出的传声器。这类数字式传声器中技术比较成熟的是光电式数字传声器。光电式数字传声器能够通过光电的方法将声膜的位移直接转换成数字量输出的装置，不使用模数转换器便能够直接输出数字信号，由于不使用模数转换器，所以消除了中间环节的失真和噪声源。数字式传声器功能强大，使用广泛，声音质量和抗干扰能力也很出色。

1998年初，德国拜亚动力推出第一只型号为MCD100数字传声器。与以往传统的模拟式传声器不同，数字传声器可以解决在微弱信号拾音时连同杂音一起拾取的问题。MCD100数字传声器内装心形的指向性膜片及24bit的模/数转换器，可以与录音室及扩音设备的24bit的数字音频设备相匹配。MCD100输出24bitAES/EBU数字式信号，可使整个操控更容易，减小再次进行A/D变换带来的声音损伤。

麦克风发展至今，已经衍生出多种类型，比较常见的包括电容麦克风、铝带麦克风、动态麦克风、有线麦克风以及无线麦克风等，这些形态各异的麦克风应用于人们生活的各个方面，例如：演唱会、会议、节目录音等。

结构及原理

话筒的种类有很多，下文主要介绍通常使用的动圈、晶体、电容式话筒的组成结构和工作原理。

动圈式话筒

动圈式话筒由永久磁铁、音膜、输出变压器等部件组成，音膜的音圈套在永久磁铁的圆形磁隙中，当音膜受声波的作用力而振动时，音圈则切割磁力线而在两端产生感应电压。由于话筒的音圈圈数很少，它的输出电压和输出阻抗都很低。为了提高它的灵敏度和满足与扩音机输入阻抗相匹配，在话筒中还装有一只输出变压器。变压器有自耦和互感两种，根据初、次级圈数比不同，其输出阻抗有高阻和低阻两种。话筒的输出阻抗在600Ω以下的为低阻话筒；输出阻抗在10000Ω以上的为高阻话筒。有些话筒的输出变压器次级有两个抽头，它既有高阻输出，又有低阻输出，只要改变接头，就能改变其输出阻抗。动圈式话筒工作原理是：当声波引起振膜振动时，也会带动附在上面的音圈一同在磁场中振动，音圈在永磁体的磁场里往复振动，在线圈中就会产生感应电动势，从而将声膜的振动转变成电信号输出。

晶体式话筒

晶体式话筒又称压电式传声器，由膜片和与其相连的压电晶体弯曲梁所组成。其工作原理是利用晶体物质的压电效应制成的扬声器。压电效应是当在晶体某一方向上加一个电压，晶体会产生机械形列变；当给晶体物质施加压力使它产生机械形变时，则晶体在某一方向会产生一个电压，这种现象称为压电效应。当声压使膜片振动时，膜片就把声振动传给晶体，使它产生形变，于是在1、2端产生一个随声振动变化的电压，实现了声电转换。它在工作时不需外加电压。

晶体式话筒按结构不同可分为膜片式和声电池式两种，膜片式一般输出电平为-45~-70分贝，频率响应在60~8000赫之间；声电池式频率响应在50~15000赫之间，失真为1%~5%，输出电平为-50~-80分贝。

电容式话筒

电容式麦克风由振动膜极板、音窗、固定极板、电极引线、振荡鉴频电路以及电池组成。它的换能原件是等效可变的电容器，电容器有两个极板，分别作为固定极板和振动膜极板。电容话筒的工作原理是采用振膜来拾音，当给这两块板加上直流极化电压——幻象供电之后，振膜的振动会使它与固定极板之间的距离发生变化，从而得到一个随着声压的变化而变化的电流。这样，电容的电量也产生了连续的变化，从而使输出的电压产生了连续的变化，也就是产生了模拟信号。

分类

话筒种类繁多，可按照声电转换原理、电信号传输方式、指向性、外观形状等方式进行分类，每类可细分为多种麦克风。例如：若按声电转换原理划分，可分为动圈麦克风、铝带麦克风以及静电式麦克风。

按声电转换原理分类

• 动圈式：动圈式麦克风属于压强式，麦克风内存在一个线圈贴在振膜上并悬于两磁极之间。此类麦克风操作简单、无需直流工作电压、性能稳定、具有良好的指向性、价格相对便宜，是用途最广的话筒之一。动圈话筒在实际工作中通常用来拾取在摇滚乐中的人声、鼓声以及电吉他或电贝司自带音箱的声音。

• 铝带式：铝带式麦克风属于压差式，声电转换原理为带状膜片两面暴露在声波中，利用两面的声压差而振动。膜片是用铝制成的一条薄带，为了提高其弹性，铝带上有许多皱褶。此类麦克风频率特性和音质较好，具有双方向的特性，用于舞台上，将其悬挂在空中。

• 静电式：静电式麦克风是将接收声波的薄金属片作为电容器的一个极板，将对着膜片的一个固定厚金属背板作为电容的另一极，当声波作用到金属膜片上时，膜片产生相应振动，改变了与背板极间距离，使电容量发生变化。此类麦克风由于振膜很轻，有较好的频率响应和瞬态特性，灵敏度较高，被广泛应用于广播电视行业，但其需要工作电源，要求有极高的绝缘性能。

按电信号传输方式分

• 有线麦克风：有线麦克风的工作原理为麦克风与音频线缆相连接，再将音频线缆接入音频接口即可实现电信号传输。

• 无线麦克风：无线麦克风是由无线发射机和无线接收机所组成的无线传声系统，从技术角度来说，分为射频无线麦克风和红外无线麦克风。

按指向性分类

• 心形指向：心形指向麦克风因拾音范围像一颗心而得名，它对话筒正面的音频信号灵敏度较高；话筒侧面（90度处）的灵敏度比正面的灵敏度低6分贝；话筒后面的音频信号将被屏蔽。

• 过心形指向：过心形指向麦克风对话筒正前方的音频信号灵敏度最高，最低灵敏度处于话筒侧面150~160度处。

• 超心形指向：超心形指向麦克风与过心形指向麦克风相似，对于话筒正前方的音频信号的灵敏度最高，不同点在于最低灵敏度位于话筒侧面200~210度处。

• 双指向形：8字形麦克风对于话筒正前方和正后方的音频信号具有同样高的灵敏度，但对于话筒侧面的音频信号的灵敏度不高，拾音范围像数字8，话筒位于8字的切分点，故而得名。

• 全指向形：全指向形麦克风对于各个方向的音频信号具有同样高的灵敏度。

按外观形式分类

• 台式：台式麦克风有一个支座，比较灵活，可以放在桌子上供讲话者使用，专门小组开会时经常使用。

• 领夹式：领夹式麦克风可以佩戴在领带或围巾上。

• 头戴式：头戴式麦克风可应用于拍卖主持、主唱、鼓手等。

其他类型

• 驻极体麦克风：此类麦克风体积小巧，成本低廉，被广泛应用于电话、手表等设备中。

• 硅微麦克风：基于CMOS MEMS技术，与驻极体麦克风相比，具有体积小、耐热性好、一致性好、稳定性强、可靠性高等特点，适合高性价比的麦克风阵列应用。

• 激光麦克风：在窃听中可使用激光麦克风。

应用场景

麦克风应用于生活中的多个领域，除了应用在手机、电脑、耳机、KTV等传统消费类电子领域外，还应用在车用电子、医疗、数码摄录影机等。此外随着人工智能技术的快速发展，可穿戴智能设备等新型消费类领域以及无人驾驶、物联网、智能家居等工业领域逐渐成为麦克风的新兴应用市场。在不同领域中，可根据音质要求、录音环境等需求综合考虑使用不同技术性质和外形的麦克风。

影视媒体领域

• 录音：内置麦克风是设置在数码摄像机内的麦克风，用作拍摄录音之用。数码摄像机中内置麦克风功能最多的要数松下的机型。松下内置的广域收音麦克风，在用远摄镜拍摄较远的人物时，较近的环境声都盖过了人物的声音；

• 拾音：拍摄微电影时可使用挑竿话筒、固定话筒、微型话筒、无线话筒等拾取现场声音。森海塞尔推出的MKH 416-P48U3型号麦克风是用于电影、广播和电视的短枪式干涉管话筒，特别适用于影视前期/同期；

• 广播电台：广播电台可使用动圈话筒进行声音的拾取。EV推出RE20广播话筒是各个广播电台的标准配置，极广的频率响应和优秀的瞬态反应使其成为行业标准，倍受世界各地播音员和音响师的青睐。

医学领域

• 远程对话：能够使医生与无菌手术环境以外的人（从护士和放射科医师到在教室里观看的学生）进行沟通，同时保持完全移动性；

• 语音识别：将口述内容转换为文字，生成病人的报告；

• 电子听诊器：接触式麦克风传声器CM-01B是专门为电子听诊器量身定做的拾音器，它是由灵敏度高，性能稳定的PVDF压电薄膜结合一个低噪音的前置放大器电路组成，能以缓冲输出的方式提供声音或振动信号的拾取。

消费电子产品领域

• 手机：随着手机智能化程度的提高，单部手机MEMS传感器数量不断增加；

• 电脑：麦克风是电脑上游零组件及配件；

• KTV：在KTV唱歌时使用的多为动圈式麦克风；

• 智能家居：由于在与智能家居产品进行语音交互过程中，用户往往处于一个相对嘈杂的远距离场景中，所以一般需要多个 MEMS麦克风组成的麦克风阵列来实现远场拾音和降低噪音等功能。

工业领域

• 无人驾驶：MEMS麦克风在汽车电子领域应用规模整体较小但具有较大的市场空间；

• 可穿戴智能设备：可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。通过MEMS麦克风进行语音交互成为智能设备接收信息和指令的重要方式。

技术指标

话筒的技术指标有：灵敏度、频率响应、指向性、输出阻抗、等效噪声、最大声压级、信噪比、动态范围等。

灵敏度：灵敏度是用来表示话筒的声电转换效率的一个指标。它的定义为：在自由声场中，当向话筒施加一个声压为1Pa(帕)的声音信号时，话筒的开路输出电压(毫伏)即为该话筒的灵敏度。单位是毫伏/帕(mV/Pa)。话筒灵敏度的单位通常用mV/Pa表示，但也有用mV/ubar表示。1Pa是指1N的力作用于1m面积上的压强。Pa与ubar的换算关系为：10μbar=1Pa，1mV/ubar=10mV/Pa。所以动圈式话筒的灵敏度为1.5~4mV/Pa，而电容式话筒因内装预放大器，故灵敏度比动圈式话筒高10倍左右，其典型值是20mV/Pa左右。话筒的灵敏度还常用分贝(dB)表示。一般以1伏/帕(1V/Pa)作为参考灵敏度，即规定1V/Pa为0dB。由于话筒的灵敏度通常比0dB小的多，所以用dB来表示的灵敏度都是负值。如一只话筒的灵敏度为2mV/Pa，而用dB来表示即为-54dB。

话筒的灵敏度越高越好，它可以向调音台（或前置放大器）提供转交高电平的输入信号，这样一方面降低了对调音台的增益要求，有利于提高信噪比；另一方面由于传输电压较高，因而相对于线路感应而言，信噪比可保持较高。但是对于高灵敏度话筒来说，若激励声级太高时，其输出电压会相应提高，容易导致放大器前级动态范围出现过激失真现象。对于演唱话筒，应保持与嘴的距离为5~10cm，激励比较强，所以对话筒的灵敏度要求不高。

频率响应：简称频响，是指在恒定声压作用下，麦克风的输出电平随不同频率的电压变化，其单位为分贝(dB)。频率响应是评价麦克风音质的重要标准，若频响曲线在规定频率范围内都很平坦，则表明该麦克风能够最大程度地还原初始的声音。

麦克风轴上频率响应：指声波到达麦克风0度轴，即麦克风振膜的正中心时表现出的声音质量。麦克风轴上频率响应概念包含两方面：声波信号的频率范围以及该频率范围内信号的振幅变化范围，意味着麦克风的频响曲线并非绝对的直线。根据不同的测量方式，可分为自由声场中的频响和在混响声场中的频响。其中，在混响声场中测得的频响曲线结果更接近于实际工作情况。

麦克风轴外频率响应：当声波从非0度轴的其他角度进入麦克风时所表现出来响应特征被称为麦克风轴外频率响应。当声波离开0度轴，角度发生改变时，振幅和频率相对于0度轴时都会发生变化。

指向性：麦克风的指向性是指对于来自不同方向的声源具有不同灵敏度的特性。主要包括三种：全指向、双指向、单指向。全指向在麦克风上用圆圈表示，此类麦克风对于四周的音频信号具有相同的敏感度。双指向在麦克风上用数字8表示，也称8字指向，代表麦克风只对来自0度轴以及180度轴的声源敏感。单指向在麦克风上用心形表示，也被称为心形指向，代表麦克风只对来自0度轴的音频信号敏感。