在這一系列文章的第一部分，我們展示了如何通過相當(dāng)簡(jiǎn)單的均衡電路，讓一顆標(biāo)準(zhǔn)的駐極體麥克風(fēng)探測(cè)低至不到1Hz的次聲波信號(hào)。在第二部分也是最后一部分，我們將進(jìn)一步改善該電路，并加入音頻輸出，讓我們能夠聽到原本聽不到的聲音。
圖1顯示了修改后的電路原理圖。雖然均衡部分大致與先前相同，但麥克風(fēng)周邊的電路變得更為完整。原先麥克風(fēng)直接由電源軌供電，這在某些情況下可能導(dǎo)致反饋問題；現(xiàn)在則改由一個(gè)純凈的參考電源供應(yīng)，并且還封裝在一個(gè)反饋回路中，以協(xié)助穩(wěn)定其工作點(diǎn)。
圖1：新的輸入緩沖電路可穩(wěn)定麥克風(fēng)的工作狀態(tài)，其余新增組件則進(jìn)一步提升整體電路性能。
R1與D1為麥克風(fēng)正極定義了一個(gè)標(biāo)稱+1.24V的參考電源。(D1并未指定具體型號(hào)；我使用的是LM385-1.2，但該系列目前已停產(chǎn)——它們過去表現(xiàn)穩(wěn)定且規(guī)格完整，特別是-ADJ版本相當(dāng)實(shí)用。不過LMV431或LM4041看起來都是不錯(cuò)的替代選擇。)在沒有任何偏移的情況下，A1的輸出維持在-1.24V，這是麥克風(fēng)負(fù)載電阻R4低端所需的電位。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)完成設(shè)置并穩(wěn)定后，R4與麥克風(fēng)負(fù)極的連接點(diǎn)會(huì)接近0V(或共享地)。麥克風(fēng)的信號(hào)疊加在此基準(zhǔn)上，并由A2進(jìn)行放大，其中一部分信號(hào)經(jīng)由R5反饋至A1，以協(xié)助穩(wěn)定麥克風(fēng)的工作點(diǎn)。
校準(zhǔn)與初始設(shè)置
由于各個(gè)麥克風(fēng)的性能略有差異，主要源自其內(nèi)部JFET的增益范圍不同，因此需要進(jìn)行初始校準(zhǔn)：負(fù)載電阻R4必須加以調(diào)整。Sw1a可將R5暫時(shí)開路，以加快這個(gè)初始調(diào)整過程；同時(shí)Sw1b會(huì)讓C2暫時(shí)不進(jìn)入電路(原因稍后說明)。在原理圖中，這些開關(guān)皆以正常工作位置顯示。
一旦完成設(shè)置，反饋機(jī)制便可使電路工作趨于穩(wěn)定，并在很大程度上補(bǔ)償溫度變化。若沒有來自A2的反饋，測(cè)量到的麥克風(fēng)端電壓溫度系數(shù)約為13mV/°C；加入反饋后，該值可降至約1mV/°C。R18用來調(diào)整殘余偏移，否則在A4輸出端的殘余偏移可能高達(dá)200mV。
C1取100nF，在校準(zhǔn)期間已足以維持A1的穩(wěn)定性；但真正決定A1電路低頻3dB截止點(diǎn)的是C2(10μF)，這已考慮了反饋對(duì)其有效值的降低。若在啟動(dòng)時(shí)C2即接入電路，系統(tǒng)將需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定，因此此電容會(huì)先行預(yù)充電，并在電源接通數(shù)秒后才接入。(如第一部分圖5所示的電荷注入方式在此幾乎沒有幫助，可能是因?yàn)榉答亴⑵渥饔玫窒恕?
延遲切換與穩(wěn)定機(jī)制
U1a用來產(chǎn)生延遲。C3與R6決定延遲時(shí)間，而R7與C4則提供正反饋，使實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。接著，U1a控制U1b，以決定C2的連接方式。在啟動(dòng)期間，C2接在A1輸出(-1.24V)與共享地之間，使其充電至預(yù)期的工作電壓；進(jìn)入正常工作后，C2則跨接于R3之上，定義整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)。
這樣的遲滯設(shè)計(jì)是必要的，因?yàn)槿糁苯右訰C網(wǎng)絡(luò)緩慢變化的電壓來控制4053模擬開關(guān)，會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生振蕩(至少在我手邊的Motorola與RCA組件中如此)。目前設(shè)置的延遲時(shí)間雖然比C1與R3所需的最小值更長(zhǎng)，但可讓電路其他部分有更充足的時(shí)間穩(wěn)定。4053尚有一個(gè)未使用的通道；嘗試將其用于對(duì)C5進(jìn)行預(yù)充電，或在啟動(dòng)期間短路R14+15，不過對(duì)整體穩(wěn)定時(shí)間的改善并不明顯。
在校準(zhǔn)之前，必須在聲學(xué)上隔離麥克風(fēng)，并讓其與電路充分穩(wěn)定。一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法，是暫時(shí)將其包覆在兩個(gè)中空的橡皮泥半球中，并松散地密封起來。在實(shí)際工作時(shí)，麥克風(fēng)應(yīng)避免氣流影響，只用一層布料遮擋即可達(dá)到效果，而使用開孔泡棉或一團(tuán)吸音纖維，效果則更佳。
其余電路說明
A3周圍的電路與先前相同，唯一新增的是偏移微調(diào)電位器R18。A4則在信號(hào)路徑中加入一個(gè)二階Sallen–Key低通濾波器(f3dB約為12Hz)，配合A3的衰減特性，可使50/60Hz分量獲得35至40dB的衰減。
C8與R14+15決定整體的低頻截止點(diǎn)，依圖中數(shù)值設(shè)置，其3dB點(diǎn)可介于約300mHz至1.7Hz之間。當(dāng)R15調(diào)至最大時(shí)，C1/R3的時(shí)間常數(shù)將成為主導(dǎo)因素。
在第一部分，我們?cè)鴩L試使用指針式電表作為顯示，但發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)偏慢。然而在本設(shè)計(jì)中，它成為了一個(gè)實(shí)用的附加組件，可方便設(shè)置麥克風(fēng)負(fù)載電阻與偏移調(diào)整，同時(shí)仍能良好的指示最低頻率變化。
仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果
圖2顯示在R15設(shè)為最大與最小值時(shí)，電路對(duì)氣壓變化的頻率響應(yīng)。雖然這些曲線來自LTspice仿真，但與實(shí)際測(cè)量結(jié)果高度一致。可將紅色上方曲線與第一部分中的圖2進(jìn)行比較。
圖2：在R15取極限值時(shí)，電路的計(jì)算頻率響應(yīng)。
實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖3所示，使用的是第一部分中描述的測(cè)試裝置，并將R15設(shè)為最大帶寬。與第一部分圖5相同，該掃描為手動(dòng)進(jìn)行，因此頻率刻度不必然是嚴(yán)格的對(duì)數(shù)關(guān)系。與先前一樣，曲線在垂直方向的漂移主要來自JFET的閃爍噪聲(1/f noise)，但整體頻率響應(yīng)與線性度仍清楚可見。
圖3：使用實(shí)際麥克風(fēng)于測(cè)試裝置中測(cè)量的頻率響應(yīng)。
本次使用的是直徑10mm的麥克風(fēng)膠囊，當(dāng)然，還有其他類型可選，但其行為可能不同。使用回收的5mm麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)試顯示，其靈敏度大致與振膜面積成正比，或等同于直徑的平方，這樣的結(jié)果相當(dāng)合理。5mm組件普遍較新且噪聲較低，推測(cè)其內(nèi)部JFET亦有類似特性，因此整體信噪比與大型膠囊相近。實(shí)操上，建議選用尺寸越大的麥克風(fēng)越好。
讓我們聽到次聲波
如果我們利用次聲信號(hào)調(diào)制音頻信號(hào)，我們便能“聽見”正在發(fā)生的事情，或至少是其替代呈現(xiàn)。近期有一篇設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了“打造音高線性VCO (上)：原型設(shè)計(jì)”；而這篇文章正是那項(xiàng)設(shè)計(jì)所需要的實(shí)際成果。
此處使用的振蕩器，幾乎與該文章中的一種變體完全相同，其電路如圖4所示。本文不再詳述其工作原理，但在此基礎(chǔ)上加入了一些修改與補(bǔ)充。
圖4：通過對(duì)音頻音調(diào)進(jìn)行頻率調(diào)制，可將次聲波的形態(tài)轉(zhuǎn)換為可聽形式。
如同先前的設(shè)計(jì)，振蕩器的主要部分產(chǎn)生一個(gè)中心頻率約為500Hz的音調(diào)，當(dāng)控制輸入在約正負(fù)1V范圍內(nèi)變化時(shí)，其頻率可上下變動(dòng)一個(gè)八度，也就是頻率加倍或減半。這代表該振蕩器對(duì)音高而言是線性的，而非對(duì)頻率線性。此處的控制輸入，正是先前所探測(cè)到的次聲波信號(hào)。
在極端條件下，該信號(hào)可能會(huì)跨越整個(gè)電源軌，振幅可達(dá)±2.5V，因此需通過R23與R24將其衰減。(以非線性組件取代R24其實(shí)相當(dāng)誘人，但尚未實(shí)驗(yàn)。這樣或許能在低電平時(shí)幾乎不影響信號(hào)，同時(shí)對(duì)尖峰進(jìn)行壓縮。例如使用兩組背對(duì)背的1N4148二極管，并提高R23的阻值……)
來自U2b的音頻方波輸出，經(jīng)由R28以及一組由C13與C14跨接的限幅二極管后，形成一個(gè)約1V峰對(duì)峰值的梯形波。這樣的振幅可能偏大，因此C13/C14同時(shí)也會(huì)將其進(jìn)一步衰減至約100mV峰對(duì)峰值。A8用作緩沖器，而R29則提供一條接地通路，卻幾乎不對(duì)C14分流。
若需要一個(gè)較為直接、約1V峰對(duì)峰值的音頻輸出，可將C13短路、把C14改為33nF，并移除R29與電位器R30。更簡(jiǎn)單(但也更粗糙)的做法，是直接從U2經(jīng)由一個(gè)5k電位器作為音量控制，直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。此時(shí)可依個(gè)人需要，在耳機(jī)兩端再加上額外的濾波電容。
混合與搭配
我們之所以可能需要較低的信號(hào)電平，是因?yàn)檫@樣可使其與A2的輸出幅度相當(dāng)，而A2輸出的是麥克風(fēng)經(jīng)放大的寬帶音頻信號(hào)。R30允許我們?cè)谠撘纛l信號(hào)與調(diào)制音調(diào)之間進(jìn)行交叉淡入淡出，視需要混合兩者。(而稍后我們確實(shí)可能會(huì)這么做。)
此時(shí)，輸出即可送入功率放大器(我使用的是TDA7052A，未畫于圖中)，再接揚(yáng)聲器或耳機(jī)(需串聯(lián)電阻)。若將左右耳機(jī)并聯(lián)，聲音大致會(huì)出現(xiàn)在頭部正中央；若改為串聯(lián)且反相連接，則會(huì)產(chǎn)生一種“在遠(yuǎn)方”的聽感。若你同時(shí)還想聽由飛機(jī)、火車與汽車所構(gòu)成的復(fù)雜聲景，這種效果可以減少干擾。
雖然若能在此處附上一段音頻，讓讀者親耳聽聽結(jié)果，會(huì)是件相當(dāng)不錯(cuò)的事，但在文中我們只能以視覺方式替代：圖5顯示了一段典型的波形，內(nèi)容為一列高速列車在數(shù)百米外通過，同時(shí)還有兩架距離更遠(yuǎn)、正接近希思羅機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)。
圖5：此波形顯示了實(shí)際音頻的效果，請(qǐng)注意x軸的時(shí)間刻度。
不只有空氣這一種介質(zhì)
前文提到交叉淡入淡出，但為何我們會(huì)需要這樣的功能？原因在于，還有兩種我尚未嘗試的應(yīng)用場(chǎng)景：地下與水下。
若將麥克風(fēng)密封于一個(gè)合適且配重得當(dāng)?shù)娘嬃掀恐校涂尚纬梢粋€(gè)頗具趣味的水聽器，而附近的運(yùn)河不久后便會(huì)充滿螺旋槳的噪聲。但這些聲音主要會(huì)是直接可聽的，還是以更低頻為主呢？理論上，壓力變化應(yīng)能通過瓶壁耦合至內(nèi)部空氣，再傳遞給麥克風(fēng)，不過效率可能偏低，往瓶子里灌油或許能改善這種情況，至少在油滲入麥克風(fēng)內(nèi)部之前是這樣。
另一個(gè)瓶子若埋入地下并以水泥固定(當(dāng)?shù)鼗鶐r為白堊巖，部分地區(qū)外露)，或可作為一種地震傳感器，盡管在那個(gè)地下世界中，理論上不該有太多音頻活動(dòng)。這附近的地震活動(dòng)算是算是很少的，但偶爾仍會(huì)感受到2級(jí)或3級(jí)的低沉震動(dòng)。
最后的奇想
若能使用一對(duì)麥克風(fēng)，并以適當(dāng)間距構(gòu)成立體聲對(duì)，每一顆都具備獨(dú)立的均衡電路，是否會(huì)很有趣？或許可將它們的總和輸出用來控制音調(diào)的頻率，而各自的輸出則用來調(diào)整左右聲道的相對(duì)振幅。由于在低頻下，方向信息主要來自相位差，因此可能還需要相位控制，這或許意味著相當(dāng)復(fù)雜的壓控全通濾波器設(shè)計(jì)。或者其他什么方法，干脆交給DSP來處理？
若你想看看在充足經(jīng)費(fèi)支持下，駐極體麥克風(fēng)能做到什么程度，不妨搜尋“NASA infrasound”，你將會(huì)看到大量引人入勝的成果，應(yīng)用環(huán)境橫跨深海到太空邊緣。雖然本設(shè)計(jì)無法與NASA所能達(dá)到的次毫赫茲等級(jí)的探測(cè)能力相比，但其趣味性絲毫不遜色，而且成本顯然低得多。
責(zé)編：Ricardo
