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(zhuǎn)換為電信號或?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為聲音信號的設(shè)備。在前一種情況下，它們被稱為輸入聲音傳感器，麥克風(fēng)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(nèi)置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒，分為聲電轉(zhuǎn)換部分和阻抗兩部分，其中聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應(yīng)變化的微小電壓。隨后它被轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)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(nèi)接入一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進行阻抗變換。

其實，聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個話筒(麥克風(fēng))，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(fēng)(輸入聲音傳感器)

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

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

麥克風(fēng)的方向性也是一個重要因素。如果麥克風(fēng)用于感應(yīng)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(fēng)對某一個或多個特定方向的聲波的速度和方向作出響應(yīng)，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(fēng)的結(jié)構(gòu)肯定最重要的影響因素。一些最常見的麥克風(fēng)類型是碳麥克風(fēng)、動鐵麥克風(fēng)、動圈麥克風(fēng)、帶狀麥克風(fēng)、壓電麥克風(fēng)和駐極體電容麥克風(fēng)。

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(fēng)，現(xiàn)在基本上被駐極體電容麥克風(fēng)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(dāng)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(jié)果，可以轉(zhuǎn)化為顆粒電阻的變化。麥克風(fēng)需要外部電源，因為它不會產(chǎn)生電壓。

炭粒式傳聲器的主要和唯一優(yōu)點是它產(chǎn)生的輸出按麥克風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)來說是巨大的。不過缺點是線性度差，結(jié)構(gòu)差，導(dǎo)致音頻范圍內(nèi)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(fēng)

動鐵式麥克風(fēng)也稱為可變磁阻麥克風(fēng)，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(fēng)中的磁路使樂器更重。

3、動圈式麥克風(fēng)

動圈式麥克風(fēng)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(chǎn)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(fēng)，而不是速度操作的麥克風(fēng)。

當(dāng)聲波撞擊隔膜時，線圈響應(yīng)隔膜的運動而移動。通過應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，由于線圈在磁場中的運動而在線圈中感應(yīng)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(nèi)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(fēng)的線性度非常好。由于線圈的低阻抗，輸出相當(dāng)?shù)停虼诵枰糯笮盘枴?/p>

另外，動圈麥克風(fēng)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(fēng)的結(jié)構(gòu)類似于揚聲器的反向結(jié)構(gòu)。

4、鋁帶式麥克風(fēng)

鋁帶式麥克風(fēng)的工作原理源于動圈式麥克風(fēng)，變化在于將線圈簡化為一條導(dǎo)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(chǎn)生了峰值與聲波相差90°的輸出，其內(nèi)部視圖如下所示：

鋁帶式麥克風(fēng)是一種速度操作的麥克風(fēng)，主要用于方向響應(yīng)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(fēng)適合立體聲廣播。

鋁帶式麥克風(fēng)的線性度非常好，其結(jié)構(gòu)使其不可避免地成為低輸出設(shè)備。為了提高電壓等級和阻抗等級，鋁帶式麥克風(fēng)通常配備變壓器。質(zhì)量好的鋁帶式麥克風(fēng)價格比較昂貴。

5、壓電式麥克風(fēng)

壓電式麥克風(fēng)相對于其它類型麥克風(fēng)的優(yōu)勢在于它不僅可以在空氣中使用，還可以與固體結(jié)合，也可以浸入非導(dǎo)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(dāng)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(fēng)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(fēng)的圖形如下圖所示：

6、電容式麥克風(fēng)

電容式麥克風(fēng)由兩個表面組成：一個是導(dǎo)電膜片，另一個是背板，兩個表面之間的電荷是固定的。當(dāng)聲波撞擊隔膜時，振動會導(dǎo)致電容發(fā)生變化。由于電荷是固定的，電容的變化會產(chǎn)生電壓波。輸出取決于板之間的間距。當(dāng)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(fēng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

電容式麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)。

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(chǎn)生聲音。聲音傳感器的功能是將電信號轉(zhuǎn)換為與麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)發(fā)展之后，輸入和輸出聲音傳感器的組合導(dǎo)致了包括電話在內(nèi)的眾多發(fā)明。耳機的任務(wù)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(jié)構(gòu)、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(fù)雜的電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)，都有一個相應(yīng)的揚聲器。一些常見的揚聲器包括動鐵、動圈、壓電、驅(qū)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(fēng)完全相反，它由懸浮在非常強的磁場中的稱為音圈的細(xì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。

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

這導(dǎo)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(chǎn)生聲音，聲音的響度由音盆或振膜移動的速度決定。

2、驅(qū)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(nèi)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(yīng)被分成更小的子頻率，這提高了揚聲器的整體效率和音質(zhì)。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(shù)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(luò)，可以準(zhǔn)確地分割和再現(xiàn)所有子揚聲器的音頻信號。

驅(qū)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(dāng)濾波器。其電路圖如下圖所示：

目前驅(qū)動器主要分為三種類型：低音驅(qū)動器、中音驅(qū)動器和高音驅(qū)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(qū)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(dāng)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(zhuǎn)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(dǎo)電板之間的導(dǎo)電膜片組成，導(dǎo)電板分別帶正電和負(fù)電。當(dāng)連接音頻信號時，隔膜在正電荷和負(fù)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(dǎo)致它前面的空氣振動。

總結(jié)

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(lǐng)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(fēng)和揚聲器。