1.9 声音传感器
在本教程中，我们将学习声音换能器。两种常见的声音换能器是麦克风和扬声器。
引言
声音是一个通用术语，用于描述声波，这是一种通过绝热过程中的压缩和解压缩传播的纵波。声波的频率范围在1 Hz到数千赫兹之间。在这个宽广的范围内，人类能够听到20 Hz到20 kHz之间的声音。
音频或声音换能器分为两种类型：输入传感器（声音到电信号的换能器）和输出执行器（电信号到声音的换能器）。输入传感器的例子是麦克风，而输出执行器的例子是扬声器。
声音换能器可以检测和传输声波。如果声波的频率非常低，则称为次声波；如果声波的频率非常高，则称为超声波。
什么是声音？
声音与振动密切相关，因为声音与机械振动有关。许多声音是由固体或气体的振动引起的。根据美国国家标准协会（ANSI）的定义，声音被定义为“在介质中通过内力或这种传播振动的叠加而传播的压力、应力等的振荡”。声波是由振动引起的波形。
这种波形会在受声波影响的任何材料中引起相同的振动。为了传输声波，需要一种可以振动的介质。振动的物体或材料会压缩周围的空气分子并使其稀薄。声波无法在真空中传播。
当声音传输时，它具有三个重要的波参数：速度或速率、波长和频率。这些特性与电信号波形相似。声音的频率和波形由声音的来源或引起声音的振动的频率和波形决定。
声音的速度和波长取决于传输声波的介质。速度、波长和频率之间的关系如下所示。
频率的单位是赫兹（Hz）。
声音的速度在给定材料中取决于材料的密度和弹性。因此，声音在固体中的速度较高，在高压气体中的速度较低。
声音波的客观测量利用了接收表面的强度，以每平方米的声能瓦数来衡量。人耳的响应是非线性的，其灵敏度随声音的频率而变化。
人耳能够检测到的声音频率范围在20 Hz到20 kHz之间。人耳在2 kHz区域的响应最强。
什么是声音换能器？
声音换能器是一种能够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换能器，麦克风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换能器，扬声器是一个例子。
麦克风（输入声音换能器）
音频或声音到电信能的换能器是麦克风，也可以简单地称为麦克。麦克风产生与作用在其膜片上的声波成比例的电信号。根据它们使用的电换能器类型，麦克风被分类。除了换能器之外，麦克风还使用声学滤波器和通道，其形状和尺寸修改了整个系统的响应。
麦克风的特性既有电气特性也有声学特性。麦克风的灵敏度表示为每单位声波强度的电信号输出毫伏数。麦克风的阻抗具有相当的重要性。高阻抗的麦克风具有高电气输出，而低阻抗的麦克风与低输出相 关联。高阻抗使麦克风容易受到嗡嗡声的干扰。
麦克风的方向性也是一个重要因素。如果麦克风用于感知声波的压力，则它是全向的，即它可以从任何方向拾取声音。如果麦克风对声波的速度和方向有响应，则它是定向的。
声音换能器的类型并不一定决定其工作原理是基于压力还是速度，但麦克风的构造是最重要的因素。
一些最常见的麦克风类型包括：碳粒麦克风、动铁麦克风、动圈麦克风、丝带麦克风、压电麦克风和驻极体电容麦克风。
碳粒麦克风
碳粒麦克风是最早被开发用于电话中的麦克风类型。现在它们已被驻极体电容麦克风取代。碳粒麦克风使用夹在膜片和背板之间的碳粒颗粒。
当颗粒被压缩时，膜片和背板之间的电阻显著下降。颗粒的电阻变化可以转换成膜片的振动，这些振动是由作用在其上的声波引起的。麦克风需要外部电源，因为它不产生电压。
碳粒麦克风的主要且唯一优点是，它产生的输出在麦克风标准中是巨大的。
缺点包括线性度差、结构差导致在音频范围内产生多个共振以及即使在没有声音的情况下，颗粒的电阻也会改变，导致噪声水平高。
动铁麦克风
动铁麦克风也被称为可变磁阻麦克风。动铁麦克风使用一个强磁体。磁路包含一个由软铁制成的衔铁，该衔铁连接到一个膜片上。当衔铁移动时，磁路的磁阻发生变化，这反过来又改变了电路中的总磁通量。这种类型的麦克风中的磁路使仪器变得较重。
动圈麦克风或动圈麦克风
动圈（动圈）麦克风使用一个恒定磁通量的磁路。在这个电路中，通过在电路中移动一个连接到膜片上的导电线圈来产生电信号。整个装置呈胶囊形状，使它成为一个压力操作的麦克风，而不是速度操作的。
当声波击中膜片时，膜片的移动会使线圈在磁场中移动。根据法拉第电磁感应定律，由于线圈在磁场中的运动，在线圈中感应出电压。当线圈在声波的峰值之间达到最大速度时，输出最大，因此输出与声音相差90°。
动圈 麦克风的内部视图如下图所示。
由于线圈尺寸较小，线圈的移动范围非常小。因此，动圈麦克风的线性度非常好。由于线圈的阻抗较低，输出相当低，因此需要对信号进行放大。
动圈麦克风中线圈的电感较小，因此它们不太容易从电源中拾取嗡嗡声。动圈麦克风的构造类似于扬声器的反向构造。
丝带麦克风
丝带麦克风的工作原理源自动圈麦克风，不同之处在于线圈被简化为一条导电的丝带。信号从丝带的两端引出。
使用强磁场，使丝带能够切割尽可能多的磁通量。这产生了与声波相差90°相位的峰值输出。
丝带麦克风的内部视图如下图所示。
丝带麦克风是一种速度操作的麦克风。丝带麦克风用于方向响应重要的场合。这种类型麦克风的主要应用是在嘈杂环境中进行语音评论。
丝带麦克风的线性度非常好，其构造使其不可避免地成为低输出设备。为了提高电压水平和阻抗水平，丝带麦克风通常配备有变压器。优质的丝带麦克风价格昂贵。这种麦克风的方向性特性适合立体声广播。
压电麦克风
压电麦克风与其他类型麦克风相比的优势在于，它不仅可以在空气中使用，还可以粘附在固体上，甚至可以浸入非导电液体中。压电换能器可以在超声频率下使用，有些甚至用于高频MHz区域。
压电换能器由晶体材料组成。当晶体被声波拉伸时，晶体的离子会不对称地移动。最初，压电麦克风中使用酒石酸钾钠晶体作为晶体材料，这种晶体与膜片相连。
输出电压和阻抗较高，但线性度较差。如今，合成晶体已取代天然晶体。用于高达数百kHz频率的合成晶体是钛酸钡。
压电麦克风的图示如下图所示。
电容麦克风
电容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。当声波击中膜片时，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，对于给定的声音振幅，输出更大。
电容麦克风的结构如下图所示。
电容麦克风是一种压力操作设备。为了提供固定的电荷，需要一个电源。这个电压被称为极化电压。电容麦克风在操作中提供线性，并且提供非常好的音频信号。
为了避免极化电压，使用了驻极体。驻极体是一种具有永久电荷的绝缘材料。它是磁体的静电等价物。在驻极体电容麦克风中，电容器的一个板是一块驻极体，另一个是膜片。由于驻极体提供了固定的电荷，因此不需要电源。
扬声器（输出声音换能器）
如果没有反向方向的换能器，麦克风的使用将非常有限。像扬声器、蜂鸣器和喇叭这样的换能器是输出声音执行器，可以从输入电信号产生声音。声音执行器的功能是将电信号转换为与麦克风输入信号非常相似的声音波。
耳机是比麦克风更早使用的简单输出声音换能器之一。耳机曾用于电报中的莫尔斯电键机。在麦克风发明之后，输入和输出声音换能器的结合导致了众多发明，包括电话。耳机的任务很简单，由于它靠近耳朵放置，因此其功率需求也非常小，通常只有几毫瓦。
由于所需输出较小，耳机使用了小膜片。与耳机不同，扬声器不是紧贴耳朵的，而是将声波发射到空间中。因此，扬声器的构造、原理和功率需求略有不同。
扬声器有各种尺寸、形状和频率范围。扬声器系统的换能器被称为压力单元，因为它将复杂的电信号转换为空气压力。为了实现这一点，扬声器单元包括一个将输入电信号转换为振动的电机单元和一个移动足够空气 以使振动效果可听的膜片。
每种类型的麦克风都有对应的扬声器。一些常见的扬声器类型包括：动铁扬声器、动圈扬声器、压电扬声器、等动态扬声器和静电扬声器。
动圈扬声器或动圈扬声器
大多数扬声器和耳机都使用动圈原理。动圈扬声器也被称为动圈扬声器。动圈扬声器的工作原理与动圈麦克风完全相反。
它由一个细导线制成的线圈组成，称为音圈，该线圈悬挂在强磁场中。这个线圈连接到一个像纸或聚酯薄膜锥形的膜片上。膜片的边缘被悬挂在金属框架上。
动圈扬声器的内部结构如下图所示。
当输入电信号通过线圈时，会产生一个电磁场。这个磁场的强度由流经线圈的电流决定。驱动放大器的音量控制设置决定了流经音圈的电流。由永磁体产生的磁场与电磁场产生的电磁力相互作用。
这导致线圈在一个方向或另一个方向上移动，具体取决于南北极之间的相互作用。连接到线圈上的膜片与线圈同步移动，这会在其周围的空气中产生扰动。这些扰动产生了声音。声音的响度由锥形或膜片的移动速度决定。
驱动扬声器
人耳能够听到的频率范围在20 Hz到20 kHz之间。现代扬声器、耳机、耳塞和其他音频换能器都针对这个频率范围进行了优化。
然而，在高保真（Hi-Fi）类型的音频系统中，声音响应被细分为更小的子频段。这提高了扬声器的整体效率和音质。低频单元被称为低音扬声器，高频单元被称为高音扬声器。
中频单元简单地被称为中频单元。
一般化的频率范围及其术语如下所示。
- 超低音扬声器 — 10 Hz 到 100 Hz
- 低音 — 20 Hz 到 3 kHz
- 中频 — 1 kHz 到 10 kHz
- 高音 — 3 kHz 到 30 kHz
在多扬声器的 Hi-Fi 系统中，有单独的低音、中频和高音扬声器，以及有源或无源分频网络，以准确地将音频信号分割并由所有子扬声器再现。
驱动扬声器的简单电路如下图所示。
晶体管处于射极跟随器配置。来自微控制器的脉宽调制（PWM）信号为晶体管的基极提供交流信号。射极跟随器配置通过放大电流将交流信号传递给扬声器。二极管起滤波作用。
多扬声器设计如下图所示。
有三种类型的驱动器：低音驱动器、中频驱动器和高音驱动器。一个简单的音频放大器电路如下图所示。
根据所使用的滤波电路，放大器可用于驱动低音、中频或高音扬声器。
以下是一些其他类型的输出换能器。
压电扬声器
通常，高音扬声器是利用压电原理制造的。膜片由压电塑料片制成。当在膜片的两面施加电压时，它会根据信号收缩和膨胀。通过将膜片塑造成球面的一部分，收缩和膨胀可以转化为移动空气的运动。
静电扬声器
静电扬声器由一个导电膜片组成，该膜片位于两个电导板之间。导电板分别带有正负电荷。当连接音频信号时，膜片会在正负电荷之间切换。膜片根据其电荷被吸引到带相反电荷的板上。这使得其前方的空气产生振动。