聲音傳感器的工作原理和主要類型

聲音傳感器是一種可以將聲音信號轉換為電信號或將電信號轉換為聲音信號的設備。在前一種情況下，它們被稱為輸入聲音傳感器，麥克風就是這種情況的一個例子。在后一種情況下，它們被稱為輸出聲音傳感器，揚聲器就是一個例子。

工作原理

如今使用的聲音傳感器大多內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒，分為聲電轉換部分和阻抗兩部分，其中聲電轉換的關鍵元件是駐極體振動膜。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容的變化，而產生與之對應變化的微小電壓。隨后它被轉化成0-5V的電壓，并經(jīng)過A/D轉換被數(shù)據(jù)采集器接受，最終傳送給計算機。

需要注意的是，由于駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，因而它的輸出阻抗值很高，約幾十兆歐以上，這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內接入一只結型場效應晶體三極管來進行阻抗變換。

其實，聲音傳感器的作用相當于一個話筒(麥克風)，它用來接收聲波，顯示聲音的振動圖象，但不能對噪聲的強度進行測量。

麥克風(輸入聲音傳感器)

音頻或聲音到電能的轉換器簡稱為麥克風，麥克風產生與作用在其隔膜上的聲波成比例的電模擬信號。麥克風按其使用的電子傳感器類型分類。除了傳感器之外，麥克風還使用聲學濾波器和通道，其形狀和尺寸會改變整個系統(tǒng)的響應。

麥克風的特性包括電特性和聲學特性，其靈敏度表示為每單位聲波強度的電輸出mV。麥克風的阻抗具有相當重要的意義，因為具有高阻抗的麥克風具有高電輸出，而具有低阻抗的麥克風則具有低輸出。高阻抗使麥克風容易受到嗡嗡聲的影響。

麥克風的方向性也是一個重要因素。如果麥克風用于感應聲波的壓力，那么它是全方位的，即它接收來自任何方向的聲音。如果麥克風對某一個或多個特定方向的聲波的速度和方向作出響應，那么它就是定向的。

聲音傳感器的類型不一定取決于壓力或速度，但麥克風的結構肯定最重要的影響因素。一些最常見的麥克風類型是碳麥克風、動鐵麥克風、動圈麥克風、帶狀麥克風、壓電麥克風和駐極體電容麥克風。

1、炭粒式傳聲器

炭粒式傳聲器是第一種被開發(fā)用于電話的麥克風，現(xiàn)在基本上被駐極體電容麥克風所取代。炭粒式傳聲器使用夾在隔膜和背板之間的碳顆粒。

當顆粒被壓縮時，隔膜和背板之間的阻力會顯著下降。隔膜的振動是聲波入射到隔膜上的結果，可以轉化為顆粒電阻的變化。麥克風需要外部電源，因為它不會產生電壓。

炭粒式傳聲器的主要和唯一優(yōu)點是它產生的輸出按麥克風標準來說是巨大的。不過缺點是線性度差，結構差，導致音頻范圍內的多個共振，以及即使在沒有聲音的情況下顆粒的電阻也會發(fā)生變化，因此噪音水平很高。

2、動鐵式麥克風

動鐵式麥克風也稱為可變磁阻麥克風，它使用強力磁鐵。磁路包含一個由軟鐵制成的電樞，該電樞又連接到一個隔膜。隨著電樞移動，電路的磁阻會發(fā)生變化，這反過來會改變電路中的總磁通量。這種麥克風中的磁路使樂器更重。

3、動圈式麥克風

動圈式麥克風使用恒定通量磁路。在該電路中，通過移動連接到隔膜的電路中的線圈來產生電輸出。整個裝置采用膠囊形式，這使其成為壓力操作的麥克風，而不是速度操作的麥克風。

當聲波撞擊隔膜時，線圈響應隔膜的運動而移動。通過應用法拉第電磁感應定律，由于線圈在磁場中的運動而在線圈中感應出電壓。最大輸出發(fā)生在線圈達到聲波峰值之間的最大速度時，因此輸出與聲音異相90°，其內部視圖如下圖所示：

由于線圈的尺寸很小，所以線圈的移動范圍非常小。因此，動圈式麥克風的線性度非常好。由于線圈的低阻抗，輸出相當?shù)停虼诵枰糯笮盘枴?/p>

另外，動圈麥克風中的線圈電感較小，因此它們不太容易受到來自電源的嗡嗡聲的影響。其實，動圈麥克風的結構類似于揚聲器的反向結構。

4、鋁帶式麥克風

鋁帶式麥克風的工作原理源于動圈式麥克風，變化在于將線圈簡化為一條導電帶，信號取自色帶的末端。使用強磁場，使得切割的帶狀物在最大磁通量上移動成為可能。這產生了峰值與聲波相差90°的輸出，其內部視圖如下所示：

鋁帶式麥克風是一種速度操作的麥克風，主要用于方向響應很重要的情況，也適合在嘈雜的環(huán)境中進行語音評論，而且該類型指向性麥克風適合立體聲廣播。

鋁帶式麥克風的線性度非常好，其結構使其不可避免地成為低輸出設備。為了提高電壓等級和阻抗等級，鋁帶式麥克風通常配備變壓器。質量好的鋁帶式麥克風價格比較昂貴。

5、壓電式麥克風

壓電式麥克風相對于其它類型麥克風的優(yōu)勢在于它不僅可以在空氣中使用，還可以與固體結合，也可以浸入非導電液體中。壓電傳感器可用于超聲波頻率，有些用于高MHz區(qū)域。

壓電傳感器由晶體材料組成，當晶體被聲波拉緊時，晶體中的離子會以不對稱的方式發(fā)生位移。最初，羅謝爾鹽晶體被用作壓電式麥克風中的晶體材料，這種晶體與振膜耦合。

但是，使用羅謝爾鹽晶體輸出電壓和阻抗很高，而且線性度差。如今，合成水晶被用來代替天然水晶，例如鈦酸鋇是用于頻率高達數(shù)百KHz的合成晶體。壓電麥克風的圖形如下圖所示：

6、電容式麥克風

電容式麥克風由兩個表面組成：一個是導電膜片，另一個是背板，兩個表面之間的電荷是固定的。當聲波撞擊隔膜時，振動會導致電容發(fā)生變化。由于電荷是固定的，電容的變化會產生電壓波。輸出取決于板之間的間距。當表面之間的間距較小時，對于給定的聲音幅度，輸出較大。電容麥克風的結構如下圖所示：

電容式麥克風是壓力操作裝置，為了提供固定電荷，需要電壓源，該電壓稱為極化電壓。電容式麥克風在操作中提供線性度并且還提供非常好的音頻信號。

為了避免極化電壓，使用駐極體。駐極體是一種具有永久電荷的絕緣材料。它是磁鐵的靜電等效物。在駐極體電容麥克風中，一個電容極板是一塊駐極體，另一個是隔膜。由于駐極體提供固定電荷，因此不需要電壓供應。

揚聲器(輸出聲音傳感器)

眾所周知，揚聲器、蜂鳴器和喇叭等傳感器是輸出聲音傳感器，可以從輸入電信號中產生聲音。聲音傳感器的功能是將電信號轉換為與麥克風的原始輸入信號非常相似的聲波。

耳機是較簡單的輸出聲音傳感器之一，它比麥克風使用得早。耳機與電報中的莫爾斯電鍵機器一起使用。在麥克風發(fā)展之后，輸入和輸出聲音傳感器的組合導致了包括電話在內的眾多發(fā)明。耳機的任務很簡單，因為它放在耳朵附近，所以對功率的要求也非常低，一般在幾毫瓦左右。

由于所需的輸出較少，耳機使用小振膜。與耳機不同，揚聲器不是壓在耳朵上，而是將聲波發(fā)射到空間中。因此，揚聲器的結構、原理和功率要求略有不同。

揚聲器有多種尺寸、形狀和頻率范圍可供選擇。揚聲器系統(tǒng)的傳感器稱為壓力單元，因為它將復雜的電信號轉換為氣壓。為了實現(xiàn)這一點，揚聲器單元由一個將輸入電波轉換為振動的電機單元和一個移動足夠的空氣以使振動效果可聽見的振動膜組成。

對于每種類型的麥克風，都有一個相應的揚聲器。一些常見的揚聲器包括動鐵、動圈、壓電、驅動和靜電等類型。

1、動圈揚聲器

大多數(shù)揚聲器和耳機都使用動圈原理，其工作原理與動圈麥克風完全相反，它由懸浮在非常強的磁場中的稱為音圈的細線線圈組成。該線圈連接到像紙或聚酯薄膜錐體一樣的隔膜上，隔膜在其邊緣懸掛在金屬框架上，內部結構如下圖所示。

當輸入的電信號通過線圈時，會產生電磁場，該磁場的強度由流過線圈的電流決定。驅動放大器的音量控制設置決定了流過音圈的電流。永磁體產生的磁場與電磁場產生的電磁力相反。

這導致線圈在一個方向或另一個方向上移動，由北極和南極之間的相互作用決定。連接在線圈上的隔膜與線圈一起移動，這會在其周圍的空氣中引起干擾。這些干擾會產生聲音，聲音的響度由音盆或振膜移動的速度決定。

2、驅動揚聲器

人耳能聽到的頻率范圍在20Hz到20KHz之間。如今制作的揚聲器、頭戴式耳機、耳塞和其他音頻傳感器都是為在這個頻率范圍內工作而量身定制的。

然而，對于高保真 (Hi – Fi) 類型的音頻系統(tǒng)，聲音的響應被分成更小的子頻率，這提高了揚聲器的整體效率和音質。低頻單元稱為低音單元，高頻單元稱為高音單元，而中頻單位簡稱為中頻單位。

廣義頻率范圍及其術語如下所示：

超低頻—10 Hz至100 Hz

低頻— 20Hz至3kHz

中頻— 1kHz至10kHz

高頻—3kHz至30kHz

在多揚聲器Hi-Fi系統(tǒng)中，有獨立的低音揚聲器、中音揚聲器和高音揚聲器，帶有一個有源或無源分頻網(wǎng)絡，可以準確地分割和再現(xiàn)所有子揚聲器的音頻信號。

驅動揚聲器的簡單電路如下所示：

晶體管采用射極跟隨器配置，來自微控制器的PWM信號為晶體管的基極提供交流電信號，射極跟隨器配置通過放大電流將交流信號提供給揚聲器。二極管充當濾波器。其電路圖如下圖所示：

目前驅動器主要分為三種類型：低音驅動器、中音驅動器和高音驅動器。一個簡單的音頻放大器電路如下所示：

根據(jù)所使用的濾波器電路，放大器可用于驅動低音揚聲器或中音或高音揚聲器。

3、壓電揚聲器

通常情況下，高音揚聲器是使用壓電原理制造的。隔膜由壓電塑料片制成，當在膜片的表面之間施加電壓時，它會根據(jù)信號收縮和膨脹。通過將隔膜塑造成球體表面的一部分，收縮和膨脹可以轉化為移動空氣的運動。

4、靜電揚聲器

靜電揚聲器由放置在兩個導電板之間的導電膜片組成，導電板分別帶正電和負電。當連接音頻信號時，隔膜在正電荷和負電荷之間切換。根據(jù)其電荷，隔膜被拉向帶相反電荷的板，這會導致它前面的空氣振動。

總結

聲音傳感器是一種可以檢測、測量并顯示聲音波形的一類傳感器，廣泛的用于日常生活、軍事、醫(yī)療、工業(yè)、領海、航天等中，并且成為現(xiàn)代社會發(fā)展所不能缺少的部分。按照功能和用途換分，在日常生活最為常見的聲音傳感器是麥克風和揚聲器。