聲音傳感器

聲音傳感器利用電能產生機械振動，從而擾動周圍的空氣產生聲音，無論是可聽頻率還是不可聽頻率的聲音。

聲音是“聲波”的統稱。聲音傳感器可以檢測這些頻率范圍從1Hz到數萬赫茲的聲波，人類聽覺的上限大約在20 kHz（20,000Hz）范圍內。

我們聽到的聲音基本上是由音頻聲音傳感器產生的機械振動生成的，這些振動用于產生聲波。為了使聲音被“聽到”，它需要一個傳輸介質，可以是空氣、液體或固體。

音頻聲音傳感器

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

音頻聲音傳感器包括輸入傳感器（如麥克風，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（稱為次聲波）到極高頻率（稱為超聲波）的聲波和振動。但為了讓聲音傳感器檢測或產生“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（如音叉）產生的能量波形，其“頻率”由聲音的來源決定。例如，低音鼓產生低頻聲音，而鈸產生高頻聲音。

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

聲波關系

- 波長：一個完整周期的時間，單位為秒（λ）

- 頻率：每秒的波長數，單位為赫茲（?）

- 速度：聲波在傳輸介質中的速度，單位為m/s

麥克風作為輸入聲音傳感器

麥克風，也稱為“mic”，是一種聲音傳感器，可以歸類為“聲音傳感器”。這是因為它產生一個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，麥克風的輸出信號是模擬信號，形式為電壓或電流，與實際聲波成比例。

最常見的麥克風類型包括動態麥克風、電容麥克風、帶式麥克風和較新的壓電晶體類型。麥克風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、電視、數字計算機錄音和醫用超聲波掃描儀。下圖展示了一個簡單的“動態”麥克風示例。

動態動圈麥克風聲音傳感器

動態麥克風的結構類似于揚聲器，但工作原理相反。它是一種動圈式麥克風，利用電磁感應將聲波轉換為電信號。它有一個非常小的細線線圈懸掛在永磁體的磁場中。當聲波擊中柔性振膜時，振膜會隨著聲壓的作用前后移動，導致附著的線圈在磁場中移動。

線圈在磁場中的運動根據法拉第電磁感應定律產生電壓。線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，使這種麥克風設計對壓力敏感。

由于線圈通常非常小，線圈和附著的振膜的運動范圍也非常小，產生一個非常線性的輸出信號，與聲音信號相位相差90度。此外，由于線圈是低阻抗電感器，輸出電壓信號也非常低，因此需要對信號進行某種形式的“預放大”。

由于這種麥克風的結構類似于揚聲器，因此也可以使用實際的揚聲器作為麥克風。顯然，普通揚聲器的質量不會像錄音室麥克風那樣好，但合理揚聲器的頻率響應實際上比便宜的“免費”麥克風更好。此外，典型揚聲器的線圈阻抗在8到16Ω之間。揚聲器通常用作麥克風的常見應用包括對講機和步話機。

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生警報聲或充當警報器，揚聲器、蜂鳴器、喇叭和發聲器都是用于此目的的聲音傳感器類型，其中最常用的可聽類型輸出聲音執行器是“揚聲器”。

揚聲器是音頻聲音傳感器，被歸類為“聲音執行器”，與麥克風完全相反。它們的任務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，最常見的類型包括動圈式、靜電式、等動力式和壓電式。動圈式揚聲器是電子電路、套件和玩具中最常用的揚聲器，因此我們將重點介紹這種類型的聲音傳感器。

動圈揚聲器的工作原理與我們上面討論的“動態麥克風”完全相反。一個細線線圈，稱為“語音線圈”，懸掛在一個非常強的磁場中，并附著在一個紙或聚酯薄膜錐體上，稱為“振膜”，振膜本身邊緣懸掛在金屬框架或底盤上。與麥克風不同，麥克風是壓力敏感的輸入設備，而這種聲音傳感器可以被歸類為壓力生成的輸出設備。

動圈揚聲器

當模擬信號通過揚聲器的語音線圈時，會產生一個電磁場，其強度由流過“語音”線圈的電流決定，而電流又由驅動放大器或動圈驅動器的音量控制設置決定。該磁場產生的電磁力與周圍的永磁場相互作用，并根據南北極之間的相互作用推動線圈向一個方向或另一個方向移動。

由于語音線圈永久附著在錐體/振膜上，振膜也會隨之移動，其運動擾動周圍的空氣，從而產生聲音或音符。如果輸入信號是連續的正弦波，則錐體將像活塞一樣進出移動，推動和拉動空氣，聽到的將是代表信號頻率的連續單音。錐體移動的強度和速度決定了聲音的響度。

由于語音線圈本質上是一個線圈，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，稱為揚聲器的“標稱阻抗”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，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隨信號頻率變化，從而導致頻率和相位失真。這會衰減信號。此外，對于高功率放大器，大電流通過這些電纜，因此在長時間使用期間，細小的電纜可能會過熱，再次降低效率。

人類耳朵通常可以聽到20Hz到20kHz之間的聲音，現代揚聲器的頻率響應（稱為通用揚聲器）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，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，使用被動或主動“分頻器”網絡來確保音頻信號被準確分割并由所有不同的子揚聲器再現。

該分頻器網絡由電阻、電感、電容、RLC型無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與各個揚聲器的特性精確匹配。下圖展示了一個多揚聲器“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。麥克風和揚聲器是最常見的聲音傳感器，但還有許多其他類型的聲音傳感器，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器以及用于檢測潛艇和船只的聲納傳感器。