如何定义枪式话筒的指向性

如何定义枪式话筒的指向性

- SHOTGUN MIC -

在本文中，我们将描述如何定义这些话筒的指向性。如果你想了解更多关于它们的工作原理，请阅读 Mic University（话筒大学）里的文章：干涉管及其在话筒中的应用。

指向性的描述

Describing directivity

当我们描述所谓的一阶定向话筒（宽心形、心形、超心形等）的指向性时，我们使用极性模式的形状来表征它。这是可行的，因为所有这些模式在所有频率下都应该保持相对恒定。当然，这只是有时的情况，但这正是设计师的目标。

图1：对数表示中的一阶极性模式（dB刻度）

我们记录了在无回声（无反射）条件下的极性模式。为此，话筒安装在一个特殊的转盘上。然后，信号发生器通过扬声器发出测试信号，扬声器与话筒相距一定距离，高度相同。当话筒旋转时，输出信号被连续记录，或者每5°记录一次。

图2:在丹麦技术大学消声室内的DPA测试设置。黄圈：话筒。红圈：扬声器。蓝圈：转盘。

有两种方法可以测量极性的方式。可以使用一个特定频率的纯音（正弦波）进行测量，也可以在给定范围内的多个频率上进行平均，即每个倍频程或1/3倍频程。

或者，可以使用噪声（例如，粉红噪声）进行测量，该噪声包含同时产生的所有频率，然后在倍频程或1/3倍频程中进行滤波。

高质量的一阶话筒在两种方法之间只会出现微小的差异，因为它们的模式在整个频率范围内大致不变或仅略有变化。

一阶极性图形很容易读取，因为在标定刻度合适的情况下话筒的接收角度（拾波器内部仅下降3dB的角度，也称为打开角度）是很容易查看的。它在1-4kHz频率范围内最为重要。通常，如果没有其他说明，接收角一般被定义为以1kHz频率测得的接收角度。

图3：带有接收角标记的一阶心形极性模式

（-3dB re 0°@1kHz）

通过研究一阶极性模式，如果话筒比心形更具指向性，我们可以看到前拾波瓣，可能还会看到后拾波瓣。在八字形图案的情况下，前叶和后叶的大小相等。

然而，当我们观察干涉管话筒的响应时，极坐标图在高频下变成了"Lobar"或"lobe-shaped pattern" 是指极坐标图现在显示出两个以上的瓣。

图4：叶状极坐标图

查阅许多叶状极坐标图可能会变得非常混乱。此外，除非你听纯音，否则它听起来并不像它看起来的样子。作为宽带或窄带信号体验到的声音可能与基于单个正弦波的极坐标图中显示的信息显著不同。

从心理声学的角度来看，在倍频程或分位倍频程中使用噪声或平均频率更适合于指向性测量（尤其是枪式话筒）。平均曲线图更多地与看法有关。然而，只要你知道测量条件，就一个尝试和实践的问题。

图5：用纯音和1/3倍频程和1/1倍频程测量同一枪式话筒的图例

距离系数（DSF）、指向性系数（DF或Q）和指向性指数（D或DI）

除了极坐标图之外，指向性的其他术语包括距离因子、指向性因子和指向性指数。用这三个“因素”来描述话筒的指向性可能会让人有些困惑。然而，如果我们仔细观察，它们就会变得有意义。

距离系数

Distance Factor

距离系数（DSF）大致描述了与全向话筒相比，我们可以将定向话筒放置多远，以保持直接场与散射场之比。它可以被认为是话筒在混响环境中的“覆盖范围”。

想象一下房间里有一个声源和一个话筒。假设从声源到全向话筒的距离为1。在这种情况下，心形话筒可以定位在距离声源1.73倍的位置，以在直接声音和漫射声音之间实现相同的平衡（假设话筒具有相同的灵敏度）。

因此，心形话筒的距离系数（DSF）为1.73。距离系数与信号的幅度有关。

图6：一阶话筒的距离系数（DSF）

指向性系数

Directivity Factor

指向性系数（DF或Q）被定义为在轴上拾取的能量与在所有方向上拾取的能源的比率。

指向性指数

Directivity Index

指向性指数（D或DI）是指向性系数（DF），以dB为单位换算而来：（DI=10*log DF）。

下表显示了极性模式名称以及相关的DSF、DF、DI和Acceptance Angle（接收角）。

表1：极性模式与DSF、DF、DI和接受角

*(八字形的背面也有类似的接受角度）

干涉管话筒的指向性

Directivity of interference tube microphones

如上所述，原则上，干涉管话筒由一阶心形元件和干涉管组成。

理想情况下，心形的方向性随频率而恒定，而干涉管则随频率而增加方向性。

查看设计可能会给人留下这样的印象：外管及其狭缝会产生干涉。然而，实际上是内部网格及其密度造成的。外管是一个坚硬的外壳，用来保护柔软的内网。也就是说，外管周围必须有狭缝。如果不是，则指向性可能随着话筒的旋转而改变。

组合这两个分量可以实现一直到某个特定频率的恒定方向性，并且在这个拐点频率之上，指向性不断上升。干涉管越长，拐点频率越低。通常，较长的干涉管具有较高的指向性。然而，网格的密度也会影响方向性；这是一个原因，尽管2017的枪式看起来比其他话筒更短，但它仍然提供了高指向性。

图7：枪式话筒的理论指向性响应（黑色曲线）；在这是由一个理想的超心形话筒（蓝色曲线）与干涉管（红色曲线）相结合

枪式话筒具有随频率变化的指向性。这就是为什么以标准极性图案（如超心形）命名枪式话筒的指向性是有问题的。该术语仅在特定频率下有效。相反，最好用曲线或数字将指向性表示为DI与频率的关系。

图8:2017枪式话筒的DI与频率（高分辨率、1/3倍频程和1/1倍频程分辨）

表2:2017枪式话筒的DI和接受角度与频率的关系。（内置高通滤波器，作用于63Hz）

结论

Conclusion

有几种方法可以描述方向性。

标准的一阶话筒通常用它们的极性模式来描述——心形、超心形等，因为它们的指向性与频率相当恒定。对于这些话筒，很容易读取极坐标图和接受角度。

枪式话筒或干涉管话筒可以用指向性指数（DI）来更好地描述，因为这些话筒是从给定频率开始增加指向性。