声音传感器的工作原理和主要类型

声音传感器是一种可以将声音信号转换为电信号或将电信号转换为声音信号的设备。在前一种情况下，它们被称为输入声音传感器，麦克风就是这种情况的一个例子。在后一种情况下，它们被称为输出声音传感器，扬声器就是一个例子。 

工作原理

如今使用的声音传感器大多内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒，分为声电转换部分和阻抗两部分，其中声电转换的关键元件是驻极体振动膜。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。随后它被转化成0-5V的电压，并经过A/D转换被数据采集器接受，最终传送给计算机。

需要注意的是，由于驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上，这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。

其实，声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风），它用来接收声波，显示声音的振动图象，但不能对噪声的强度进行测量。

麦克风（输入声音传感器）

音频或声音到电能的转换器简称为麦克风，麦克风产生与作用在其隔膜上的声波成比例的电模拟信号。麦克风按其使用的电子传感器类型分类。除了传感器之外，麦克风还使用声学滤波器和通道，其形状和尺寸会改变整个系统的响应。

麦克风的特性包括电特性和声学特性，其灵敏度表示为每单位声波强度的电输出mV。麦克风的阻抗具有相当重要的意义，因为具有高阻抗的麦克风具有高电输出，而具有低阻抗的麦克风则具有低输出。高阻抗使麦克风容易受到嗡嗡声的影响。

麦克风的方向性也是一个重要因素。如果麦克风用于感应声波的压力，那么它是全方位的，即它接收来自任何方向的声音。如果麦克风对某一个或多个特定方向的声波的速度和方向作出响应，那么它就是定向的。

声音传感器的类型不一定取决于压力或速度，但麦克风的结构肯定最重要的影响因素。一些最常见的麦克风类型是碳麦克风、动铁麦克风、动圈麦克风、带状麦克风、压电麦克风和驻极体电容麦克风。

1、炭粒式传声器

炭粒式传声器是第一种被开发用于电话的麦克风，现在基本上被驻极体电容麦克风所取代。炭粒式传声器使用夹在隔膜和背板之间的碳颗粒。

当颗粒被压缩时，隔膜和背板之间的阻力会显着下降。隔膜的振动是声波入射到隔膜上的结果，可以转化为颗粒电阻的变化。麦克风需要外部电源，因为它不会产生电压。

炭粒式传声器的主要和唯一优点是它产生的输出按麦克风标准来说是巨大的。不过缺点是线性度差，结构差，导致音频范围内的多个共振，以及即使在没有声音的情况下颗粒的电阻也会发生变化，因此噪音水平很高。

2、动铁式麦克风

动铁式麦克风也称为可变磁阻麦克风，它使用强力磁铁。磁路包含一个由软铁制成的电枢，该电枢又连接到一个隔膜。随着电枢移动，电路的磁阻会发生变化，这反过来会改变电路中的总磁通量。这种麦克风中的磁路使乐器更重。

3、动圈式麦克风

动圈式麦克风使用恒定通量磁路。在该电路中，通过移动连接到隔膜的电路中的线圈来产生电输出。整个装置采用胶囊形式，这使其成为压力操作的麦克风，而不是速度操作的麦克风。

当声波撞击隔膜时，线圈响应隔膜的运动而移动。通过应用法拉第电磁感应定律，由于线圈在磁场中的运动而在线圈中感应出电压。最大输出发生在线圈达到声波峰值之间的最大速度时，因此输出与声音异相90°，其内部视图如下图所示：

由于线圈的尺寸很小，所以线圈的移动范围非常小。因此，动圈式麦克风的线性度非常好。由于线圈的低阻抗，输出相当低，因此需要放大信号。

另外，动圈麦克风中的线圈电感较小，因此它们不太容易受到来自电源的嗡嗡声的影响。其实，动圈麦克风的结构类似于扬声器的反向结构。

4、铝带式麦克风

铝带式麦克风的工作原理源于动圈式麦克风，变化在于将线圈简化为一条导电带，信号取自色带的末端。使用强磁场，使得切割的带状物在最大磁通量上移动成为可能。这产生了峰值与声波相差90°的输出，其内部视图如下所示：

铝带式麦克风是一种速度操作的麦克风，主要用于方向响应很重要的情况，也适合在嘈杂的环境中进行语音评论，而且该类型指向性麦克风适合立体声广播。

铝带式麦克风的线性度非常好，其结构使其不可避免地成为低输出设备。为了提高电压等级和阻抗等级，铝带式麦克风通常配备变压器。质量好的铝带式麦克风价格比较昂贵。

5、压电式麦克风

压电式麦克风相对于其它类型麦克风的优势在于它不仅可以在空气中使用，还可以与固体结合，也可以浸入非导电液体中。压电传感器可用于超声波频率，有些用于高MHz区域。

压电传感器由晶体材料组成，当晶体被声波拉紧时，晶体中的离子会以不对称的方式发生位移。最初，罗谢尔盐晶体被用作压电式麦克风中的晶体材料，这种晶体与振膜耦合。

但是，使用罗谢尔盐晶体输出电压和阻抗很高，而且线性度差。如今，合成水晶被用来代替天然水晶，例如钛酸钡是用于频率高达数百KHz的合成晶体。压电麦克风的图形如下图所示：

6、电容式麦克风

电容式麦克风由两个表面组成：一个是导电膜片，另一个是背板，两个表面之间的电荷是固定的。当声波撞击隔膜时，振动会导致电容发生变化。由于电荷是固定的，电容的变化会产生电压波。输出取决于板之间的间距。当表面之间的间距较小时，对于给定的声音幅度，输出较大。电容麦克风的结构如下图所示：

电容式麦克风是压力操作装置，为了提供固定电荷，需要电压源，该电压称为极化电压。电容式麦克风在操作中提供线性度并且还提供非常好的音频信号。

为了避免极化电压，使用驻极体。驻极体是一种具有永久电荷的绝缘材料。它是磁铁的静电等效物。在驻极体电容麦克风中，一个电容极板是一块驻极体，另一个是隔膜。由于驻极体提供固定电荷，因此不需要电压供应。

扬声器（输出声音传感器）

众所周知，扬声器、蜂鸣器和喇叭等传感器是输出声音传感器，可以从输入电信号中产生声音。声音传感器的功能是将电信号转换为与麦克风的原始输入信号非常相似的声波。

耳机是较简单的输出声音传感器之一，它比麦克风使用得早。耳机与电报中的莫尔斯电键机器一起使用。在麦克风发展之后，输入和输出声音传感器的组合导致了包括电话在内的众多发明。耳机的任务很简单，因为它放在耳朵附近，所以对功率的要求也非常低，一般在几毫瓦左右。

由于所需的输出较少，耳机使用小振膜。与耳机不同，扬声器不是压在耳朵上，而是将声波发射到空间中。因此，扬声器的结构、原理和功率要求略有不同。

扬声器有多种尺寸、形状和频率范围可供选择。扬声器系统的传感器称为压力单元，因为它将复杂的电信号转换为气压。为了实现这一点，扬声器单元由一个将输入电波转换为振动的电机单元和一个移动足够的空气以使振动效果可听见的振动膜组成。

对于每种类型的麦克风，都有一个相应的扬声器。一些常见的扬声器包括动铁、动圈、压电、驱动和静电等类型。

1、动圈扬声器

大多数扬声器和耳机都使用动圈原理，其工作原理与动圈麦克风完全相反，它由悬浮在非常强的磁场中的称为音圈的细线线圈组成。该线圈连接到像纸或聚酯薄膜锥体一样的隔膜上，隔膜在其边缘悬挂在金属框架上，内部结构如下图所示。

当输入的电信号通过线圈时，会产生电磁场，该磁场的强度由流过线圈的电流决定。驱动放大器的音量控制设置决定了流过音圈的电流。永磁体产生的磁场与电磁场产生的电磁力相反。

这导致线圈在一个方向或另一个方向上移动，由北极和南极之间的相互作用决定。连接在线圈上的隔膜与线圈一起移动，这会在其周围的空气中引起干扰。这些干扰会产生声音，声音的响度由音盆或振膜移动的速度决定。

2、驱动扬声器

人耳能听到的频率范围在20Hz到20KHz之间。如今制作的扬声器、头戴式耳机、耳塞和其他音频传感器都是为在这个频率范围内工作而量身定制的。

然而，对于高保真 (Hi – Fi) 类型的音频系统，声音的响应被分成更小的子频率，这提高了扬声器的整体效率和音质。低频单元称为低音单元，高频单元称为高音单元，而中频单位简称为中频单位。

广义频率范围及其术语如下所示：

• 超低频—10 Hz至100 Hz
• 低频— 20Hz至3kHz
• 中频— 1kHz至10kHz
• 高频—3kHz至30kHz

在多扬声器Hi-Fi系统中，有独立的低音扬声器、中音扬声器和高音扬声器，带有一个有源或无源分频网络，可以准确地分割和再现所有子扬声器的音频信号。

驱动扬声器的简单电路如下所示：

晶体管采用射极跟随器配置，来自微控制器的PWM信号为晶体管的基极提供交流电信号，射极跟随器配置通过放大电流将交流信号提供给扬声器。二极管充当滤波器。其电路图如下图所示：

目前驱动器主要分为三种类型：低音驱动器、中音驱动器和高音驱动器。一个简单的音频放大器电路如下所示：

根据所使用的滤波器电路，放大器可用于驱动低音扬声器或中音或高音扬声器。

3、压电扬声器

通常情况下，高音扬声器是使用压电原理制造的。隔膜由压电塑料片制成，当在膜片的表面之间施加电压时，它会根据信号收缩和膨胀。通过将隔膜塑造成球体表面的一部分，收缩和膨胀可以转化为移动空气的运动。

4、静电扬声器

静电扬声器由放置在两个导电板之间的导电膜片组成，导电板分别带正电和负电。当连接音频信号时，隔膜在正电荷和负电荷之间切换。根据其电荷，隔膜被拉向带相反电荷的板，这会导致它前面的空气振动。

总结

声音传感器是一种可以检测、测量并显示声音波形的一类传感器，广泛的用于日常生活、军事、医疗、工业、领海、航天等中，并且成为现代社会发展所不能缺少的部分。按照功能和用途换分，在日常生活最为常见的声音传感器是麦克风和扬声器。