聲音傳感器

聲音傳感器利用電能產(chǎn)生機械振動(dòng)，從而擾動(dòng)周?chē)目諝猱a(chǎn)生聲音，無(wú)論是可聽(tīng)頻率還是不可聽(tīng)頻率的聲音。

聲音是“聲波”的統稱(chēng)。聲音傳感器可以檢測這些頻率范圍從1Hz到數萬(wàn)赫茲的聲波，人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)的上限大約在20 kHz（20,000Hz）范圍內。

我們聽(tīng)到的聲音基本上是由音頻聲音傳感器產(chǎn)生的機械振動(dòng)生成的，這些振動(dòng)用于產(chǎn)生聲波。為了使聲音被“聽(tīng)到”，它需要一個(gè)傳輸介質(zhì)，可以是空氣、液體或固體。

音頻聲音傳感器

此外，實(shí)際的聲音不一定是一個(gè)連續頻率的聲波，如單音調或音符，也可能是由機械振動(dòng)、噪音甚至單個(gè)脈沖聲（如“砰”聲）產(chǎn)生的聲波。

音頻聲音傳感器包括輸入傳感器（如麥克風(fēng)，將聲音轉換為電信號）和輸出執行器（如揚聲器，將電信號轉換回聲音）。

我們通常認為聲音僅存在于人類(lèi)耳朵可檢測的頻率范圍內，即從20Hz到20kHz（典型的揚聲器頻率響應），但聲音也可以遠遠超出這些范圍。

聲音傳感器還可以檢測和傳輸從極低頻率（稱(chēng)為次聲波）到極高頻率（稱(chēng)為超聲波）的聲波和振動(dòng)。但為了讓聲音傳感器檢測或產(chǎn)生“聲音”，我們首先需要理解什么是聲音。

什么是聲音？

聲音基本上是由某種形式的機械振動(dòng)（如音叉）產(chǎn)生的能量波形，其“頻率”由聲音的來(lái)源決定。例如，低音鼓產(chǎn)生低頻聲音，而鈸產(chǎn)生高頻聲音。

聲波具有與電波相同的特性，即波長(cháng)（λ）、頻率（?）和速度（m/s）。聲音的頻率和波形由產(chǎn)生聲音的源頭或振動(dòng)決定，但速度取決于傳輸介質(zhì)（空氣、水等）。波長(cháng)、速度和頻率之間的關(guān)系如下：

聲波關(guān)系

- 波長(cháng)：一個(gè)完整周期的時(shí)間，單位為秒（λ）

- 頻率：每秒的波長(cháng)數，單位為赫茲（?）

- 速度：聲波在傳輸介質(zhì)中的速度，單位為m/s

麥克風(fēng)作為輸入聲音傳感器

麥克風(fēng)，也稱(chēng)為“mic”，是一種聲音傳感器，可以歸類(lèi)為“聲音傳感器”。這是因為它產(chǎn)生一個(gè)與作用在其柔性振膜上的聲波成比例的電氣模擬輸出信號。該信號是代表聲波特性的“電氣圖像”。通常，麥克風(fēng)的輸出信號是模擬信號，形式為電壓或電流，與實(shí)際聲波成比例。

最常見(jiàn)的麥克風(fēng)類(lèi)型包括動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)、電容麥克風(fēng)、帶式麥克風(fēng)和較新的壓電晶體類(lèi)型。麥克風(fēng)作為聲音傳感器的典型應用包括音頻錄制、再現、廣播以及電話(huà)、電視、數字計算機錄音和醫用超聲波掃描儀。下圖展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的“動(dòng)態(tài)”麥克風(fēng)示例。

動(dòng)態(tài)動(dòng)圈麥克風(fēng)聲音傳感器

動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)的結構類(lèi)似于揚聲器，但工作原理相反。它是一種動(dòng)圈式麥克風(fēng)，利用電磁感應將聲波轉換為電信號。它有一個(gè)非常小的細線(xiàn)線(xiàn)圈懸掛在永磁體的磁場(chǎng)中。當聲波擊中柔性振膜時(shí)，振膜會(huì )隨著(zhù)聲壓的作用前后移動(dòng)，導致附著(zhù)的線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中移動(dòng)。

線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中的運動(dòng)根據法拉第電磁感應定律產(chǎn)生電壓。線(xiàn)圈的輸出電壓信號與作用在振膜上的聲壓成比例，因此聲波越大或越強，輸出信號就越大，使這種麥克風(fēng)設計對壓力敏感。

由于線(xiàn)圈通常非常小，線(xiàn)圈和附著(zhù)的振膜的運動(dòng)范圍也非常小，產(chǎn)生一個(gè)非常線(xiàn)性的輸出信號，與聲音信號相位相差90度。此外，由于線(xiàn)圈是低阻抗電感器，輸出電壓信號也非常低，因此需要對信號進(jìn)行某種形式的“預放大”。

由于這種麥克風(fēng)的結構類(lèi)似于揚聲器，因此也可以使用實(shí)際的揚聲器作為麥克風(fēng)。顯然，普通揚聲器的質(zhì)量不會(huì )像錄音室麥克風(fēng)那樣好，但合理?yè)P聲器的頻率響應實(shí)際上比便宜的“免費”麥克風(fēng)更好。此外，典型揚聲器的線(xiàn)圈阻抗在8到16Ω之間。揚聲器通常用作麥克風(fēng)的常見(jiàn)應用包括對講機和步話(huà)機。

揚聲器作為輸出聲音傳感器

聲音也可以用作輸出設備以產(chǎn)生警報聲或充當警報器，揚聲器、蜂鳴器、喇叭和發(fā)聲器都是用于此目的的聲音傳感器類(lèi)型，其中最常用的可聽(tīng)類(lèi)型輸出聲音執行器是“揚聲器”。

揚聲器是音頻聲音傳感器，被歸類(lèi)為“聲音執行器”，與麥克風(fēng)完全相反。它們的任務(wù)是將復雜的電氣模擬信號轉換為盡可能接近原始輸入信號的聲波。

揚聲器有各種形狀、尺寸和頻率范圍，最常見(jiàn)的類(lèi)型包括動(dòng)圈式、靜電式、等動(dòng)力式和壓電式。動(dòng)圈式揚聲器是電子電路、套件和玩具中最常用的揚聲器，因此我們將重點(diǎn)介紹這種類(lèi)型的聲音傳感器。

動(dòng)圈揚聲器的工作原理與我們上面討論的“動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)”完全相反。一個(gè)細線(xiàn)線(xiàn)圈，稱(chēng)為“語(yǔ)音線(xiàn)圈”，懸掛在一個(gè)非常強的磁場(chǎng)中，并附著(zhù)在一個(gè)紙或聚酯薄膜錐體上，稱(chēng)為“振膜”，振膜本身邊緣懸掛在金屬框架或底盤(pán)上。與麥克風(fēng)不同，麥克風(fēng)是壓力敏感的輸入設備，而這種聲音傳感器可以被歸類(lèi)為壓力生成的輸出設備。

動(dòng)圈揚聲器

當模擬信號通過(guò)揚聲器的語(yǔ)音線(xiàn)圈時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，其強度由流過(guò)“語(yǔ)音”線(xiàn)圈的電流決定，而電流又由驅動(dòng)放大器或動(dòng)圈驅動(dòng)器的音量控制設置決定。該磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力與周?chē)挠来艌?chǎng)相互作用，并根據南北極之間的相互作用推動(dòng)線(xiàn)圈向一個(gè)方向或另一個(gè)方向移動(dòng)。

由于語(yǔ)音線(xiàn)圈永久附著(zhù)在錐體/振膜上，振膜也會(huì )隨之移動(dòng)，其運動(dòng)擾動(dòng)周?chē)目諝?，從而產(chǎn)生聲音或音符。如果輸入信號是連續的正弦波，則錐體將像活塞一樣進(jìn)出移動(dòng)，推動(dòng)和拉動(dòng)空氣，聽(tīng)到的將是代表信號頻率的連續單音。錐體移動(dòng)的強度和速度決定了聲音的響度。

由于語(yǔ)音線(xiàn)圈本質(zhì)上是一個(gè)線(xiàn)圈，它像電感器一樣具有阻抗值。大多數揚聲器的阻抗值在4到16Ω之間，稱(chēng)為揚聲器的“標稱(chēng)阻抗”值，在0Hz或直流下測量。

請記住，為了在放大器和揚聲器之間獲得最大功率傳輸，始終匹配放大器的輸出阻抗和揚聲器的標稱(chēng)阻抗非常重要。大多數放大器-揚聲器組合的效率僅為1%或2%。

盡管有些人持不同意見(jiàn)，但選擇好的揚聲器電纜也是揚聲器效率的重要因素，因為電纜的內部電容和磁通特性會(huì )隨信號頻率變化，從而導致頻率和相位失真。這會(huì )衰減信號。此外，對于高功率放大器，大電流通過(guò)這些電纜，因此在長(cháng)時(shí)間使用期間，細小的電纜可能會(huì )過(guò)熱，再次降低效率。

人類(lèi)耳朵通?？梢月?tīng)到20Hz到20kHz之間的聲音，現代揚聲器的頻率響應（稱(chēng)為通用揚聲器）被設計為在此頻率范圍內工作，耳機、耳塞和其他類(lèi)型的商用頭戴式耳機也用作聲音傳感器。

然而，對于高性能高保真（Hi-Fi）音頻系統，聲音的頻率響應被分成不同的較小子頻率，從而提高揚聲器的效率和整體音質(zhì)，如下所示：

在具有單獨低音、高音和中音揚聲器的多揚聲器外殼中，使用被動(dòng)或主動(dòng)“分頻器”網(wǎng)絡(luò )來(lái)確保音頻信號被準確分割并由所有不同的子揚聲器再現。

該分頻器網(wǎng)絡(luò )由電阻、電感、電容、RLC型無(wú)源濾波器或運算放大器有源濾波器組成，其分頻或截止頻率點(diǎn)與各個(gè)揚聲器的特性精確匹配。下圖展示了一個(gè)多揚聲器“高保真”設計的示例。

多揚聲器（高保真）設計

在本教程中，我們介紹了可用于檢測和生成聲波的不同聲音傳感器。麥克風(fēng)和揚聲器是最常見(jiàn)的聲音傳感器，但還有許多其他類(lèi)型的聲音傳感器，如使用壓電器件檢測極高頻率的傳感器、設計用于水下檢測水下聲音的水聽(tīng)器以及用于檢測潛艇和船只的聲納傳感器。