聲音傳感器是一種可以將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)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(gè)例子。在后一種情況下，它們被稱為輸出聲音傳感器，揚(yáng)聲器就是一個(gè)例子。

工作原理

如今使用的聲音傳感器大多內(nèi)置一個(gè)對(duì)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(dòng)膜。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)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(jì)算機(jī)。

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(chǎng)效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變換。

其實(shí)，聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)話筒(麥克風(fēng))，它用來接收聲波，顯示聲音的振動(dòng)圖象，但不能對(duì)噪聲的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)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(jiǎn)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(hào)。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(huì)改變整個(gè)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(qiáng)度的電輸出mV。麥克風(fēng)的阻抗具有相當(dāng)重要的意義，因?yàn)榫哂懈咦杩沟柠溈孙L(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(gè)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(duì)某一個(gè)或多個(gè)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(dòng)鐵麥克風(fēng)、動(dòng)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(shí)，隔膜和背板之間的阻力會(huì)顯著下降。隔膜的振動(dòng)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?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生電壓。

炭粒式傳聲器的主要和唯一優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是線性度差，結(jié)構(gòu)差，導(dǎo)致音頻范圍內(nèi)的多個(gè)共振，以及即使在沒有聲音的情況下顆粒的電阻也會(huì)發(fā)生變化，因此噪音水平很高。

2、動(dòng)鐵式麥克風(fēng)

動(dòng)鐵式麥克風(fēng)也稱為可變磁阻麥克風(fēng)，它使用強(qiáng)力磁鐵。磁路包含一個(gè)由軟鐵制成的電樞，該電樞又連接到一個(gè)隔膜。隨著電樞移動(dòng)，電路的磁阻會(huì)發(fā)生變化，這反過來會(huì)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(dòng)圈式麥克風(fēng)

動(dòng)圈式麥克風(fēng)使用恒定通量磁路。在該電路中，通過移動(dòng)連接到隔膜的電路中的線圈來產(chǎn)生電輸出。整個(gè)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(shí)，線圈響應(yīng)隔膜的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。通過應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，由于線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)而在線圈中感應(yīng)出電壓。最大輸出發(fā)生在線圈達(dá)到聲波峰值之間的最大速度時(shí)，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(dòng)范圍非常小。因此，動(dòng)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)?，因此需要放大信?hào)。

另外，動(dòng)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(shí)，動(dòng)圈麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)類似于揚(yáng)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(dòng)圈式麥克風(fēng)，變化在于將線圈簡(jiǎn)化為一條導(dǎo)電帶，信號(hào)取自色帶的末端。使用強(qiáng)磁場(chǎng)，使得切割的帶狀物在最大磁通量上移動(dòng)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(jìn)行語音評(píng)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(jí)和阻抗等級(jí)，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(jià)格比較昂貴。

5、壓電式麥克風(fēng)

壓電式麥克風(fēng)相對(duì)于其它類型麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)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M(jìn)Hz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(shí)，晶體中的離子會(huì)以不對(duì)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(dá)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(gè)表面組成：一個(gè)是導(dǎo)電膜片，另一個(gè)是背板，兩個(gè)表面之間的電荷是固定的。當(dāng)聲波撞擊隔膜時(shí)，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生變化。由于電荷是固定的，電容的變化會(huì)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(shí)，對(duì)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(hào)。

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(gè)電容極板是一塊駐極體，另一個(gè)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(yáng)聲器(輸出聲音傳感器)

眾所周知，揚(yáng)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(hào)中產(chǎn)生聲音。聲音傳感器的功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為與麥克風(fēng)的原始輸入信號(hào)非常相似的聲波。

耳機(jī)是較簡(jiǎn)單的輸出聲音傳感器之一，它比麥克風(fēng)使用得早。耳機(jī)與電報(bào)中的莫爾斯電鍵機(jī)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(jī)的任務(wù)很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗旁诙涓浇詫?duì)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(jī)使用小振膜。與耳機(jī)不同，揚(yáng)聲器不是壓在耳朵上，而是將聲波發(fā)射到空間中。因此，揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、原理和功率要求略有不同。

揚(yáng)聲器有多種尺寸、形狀和頻率范圍可供選擇。揚(yáng)聲器系統(tǒng)的傳感器稱為壓力單元，因?yàn)樗鼘?fù)雜的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣壓。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，揚(yáng)聲器單元由一個(gè)將輸入電波轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的電機(jī)單元和一個(gè)移動(dòng)足夠的空氣以使振動(dòng)效果可聽見的振動(dòng)膜組成。

對(duì)于每種類型的麥克風(fēng)，都有一個(gè)相應(yīng)的揚(yáng)聲器。一些常見的揚(yáng)聲器包括動(dòng)鐵、動(dòng)圈、壓電、驅(qū)動(dòng)和靜電等類型。

1、動(dòng)圈揚(yáng)聲器

大多數(shù)揚(yáng)聲器和耳機(jī)都使用動(dòng)圈原理，其工作原理與動(dòng)圈麥克風(fēng)完全相反，它由懸浮在非常強(qiáng)的磁場(chǎng)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(hào)通過線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度由流過線圈的電流決定。驅(qū)動(dòng)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(chǎng)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力相反。

這導(dǎo)致線圈在一個(gè)方向或另一個(gè)方向上移動(dòng)，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(dòng)，這會(huì)在其周圍的空氣中引起干擾。這些干擾會(huì)產(chǎn)生聲音，聲音的響度由音盆或振膜移動(dòng)的速度決定。

2、驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器

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

然而，對(duì)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(yáng)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(jiǎn)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(yáng)聲器Hi-Fi系統(tǒng)中，有獨(dú)立的低音揚(yáng)聲器、中音揚(yáng)聲器和高音揚(yáng)聲器，帶有一個(gè)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(yáng)聲器的音頻信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的簡(jiǎn)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(hào)為晶體管的基極提供交流電信號(hào)，射極跟隨器配置通過放大電流將交流信號(hào)提供給揚(yáng)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(dòng)器主要分為三種類型：低音驅(qū)動(dòng)器、中音驅(qū)動(dòng)器和高音驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)低音揚(yáng)聲器或中音或高音揚(yáng)聲器。

3、壓電揚(yáng)聲器

通常情況下，高音揚(yáng)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(shí)，它會(huì)根據(jù)信號(hào)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(dòng)空氣的運(yùn)動(dòng)。

4、靜電揚(yáng)聲器

靜電揚(yáng)聲器由放置在兩個(gè)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(hào)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致它前面的空氣振動(dòng)。

總結(jié)

聲音傳感器是一種可以檢測(cè)、測(cè)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(huì)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(yáng)聲器。