声学传感器的基本理论

1 声波

声波是声音的传播形式。物体振动在空气中或在其他介质中的传播叫做声波。声波借助各种介质可以向四面八方传播。声波是一种纵波，它是弹性介质中传播着的压力振动。但是在固体中传播时，它也可以同时有纵波和横波。

声波可以理解为介质在偏离平衡态时的小扰动的传播。在这个传播过程中只有能量的传递，而不会发生质量的传递。如果扰动量比较小，那么声波的传递过程满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，那么声波的传递就不再满足线性的声波方程，会出现波的色散和激波。在本课题中，我们的研究对象是小扰动的传播，即满足经典波动方程的线性波。

2 声学传感器

声学传感器是一个可以接收声波并且能够把声信号转换成电测仪器能够识别的电信号的装置，从而使得不易被测量的声学量能够很容易被测出，也使得声波被人们更为广泛的研究和利用。

声学传感器的原理就是声电转换，即把不易测量的声音信号转换成为容易被电测仪器测出的电信号。目前应用最多的声学传感器主要有动圈式、压电陶瓷式和电容式三大类，其他类型的，如果细分的话，也都属于这三大类之中。下面一节中，会具体介绍这三种声学传感器的原理，在此不再赘述。

3 声学传感器的前置放大电路

声学传感器的前置放大电路，是一种专门为声学传感器的输出信号而设计的放大设备。通常，人们习惯将声学传感器的前置放大电路直接简称为“前置放大器”，专门用来处理电平较低、音质比较脆弱的声学传感器的输出信号。

由于声学传感器可以分为动圈式、压电陶瓷式、电容式等多种不同类型，且其输出的信号在电平和阻抗水平上也有很大的差别，因此，前置放大器在设计上也有很多种不同的造型和尺寸。我们在选择前置放大器时，除了要鉴别音质水平之外，还应该特别注意其在多种不同的应用条件下对信号一致性的保持能力。

市场上可以见到的前置放大器有很多，它们大致可以分为两类，一类是电子管前置放大器，另一类是晶体管前置放大器。由于数字音频信号是离散的信号，与连续的模拟音频信号相比，声音听起来有一些硬，电子管的特性就是可以呈现出温暖的音色，所以近年来选用电子管前置放大器的用户逐渐多起来，电子管前置放大器会使原来听起来比较生硬的数字声音变得温暖许多。当然，电子管前置放大器呈现的温暖音色特性不一定适合对所有声音的加工，要根据声音特点的不同或者个人的喜好来选择是否用电子管前置放大器。

4 三种声学传感器的原理

4.1 动圈式声学传感器的原理

电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，在电路中产生感应电流，我们把这种现象称为电磁感应现象，产生的电流就叫做感应电流。

动圈式声学传感器就是利用电磁感应现象制成的。如图1所示，当声波使最右边的膜片振动时，连接在膜片上面的线圈会随着膜片一起振动，而音圈的振动又是发生在永久磁铁的磁场里，其中就产生了感应电流，也就把声音信号转换成了电信号。其中产生的感应电流的大小和方向都在变化，变化的频率由声波振动的频率决定，变化的振幅由声波的振幅决定。

4.2 压电陶瓷式声学传感器的原理

压电效应是指一些电解质在受到某一个方向的外力作用发生形变时，由于内部电荷有极化现象，会在其表面产生出电荷的现象。

由于有压电效应，压电陶瓷能够直接将非电量转换为电量，同时，压电陶瓷的压电常数可以通过调整配方组成或者改变陶瓷片组合的方式而得到大幅度的提高，从而可有效的提高它的灵敏度。

压电陶瓷式声学传感器就是利用压电陶瓷片的压电效应，把应力转换为电压输出的装置，如图2所示。压电陶瓷片是其中关键的部件，从信号变换角度看，这里压电陶瓷片相当于一个电荷发生器。

压电陶瓷式声学传感器是由把外力传递给压电陶瓷的力学系统、压电陶瓷片以及将电荷传递给测量仪表的测量电路三个部分组成。其中，力学系统是用来安装和固定压电陶瓷的支架部分，由该部分直接和外界接触，当受到外力的作用时，支架和压电陶瓷一起发生形变。压电陶瓷由形变产生电荷输出，然后测量线路会把电荷变换为电压输出。

压电陶瓷式声学传感器的结构简单、体积小、质量轻、功耗小、寿命长，尤其是它具有很好的动态特性，因此非常适合有很宽频带的周期性作用力以及高速变化的冲击力。

4.3 电容式声学传感器的原理

电容式声学传感器是将被测的非电学量的变化转换为电容量变化的传感器。

电容式传感器是把被测量的机械量，例如位移、压力等转化为电容量变化的传感器。它的敏感部分是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行的电极组成、极板间以空气为介质的电容器。若忽略电容器的边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中的ε是极间介质的介电常数，S是两个极板互相覆盖的有效面积，d是两个极板之间的距离。d、S、ε三个参数中任意一个发生变化都会引起电容量的变化。因此电容式传感器可以分为极距变化型、介质变化型和面积变化型三类。其中，极距变化型电容式传感器通常用于测量微小的线位移或者由于力、压力、振动等引起的极距变化。介质变化型一般用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测量。面积变化型电容式传感器常用于测定角位移或者比较大的线位移。

电容式声学传感器属于极距变化型电容式传感器。如图3所示，有两块金属极板，其中一块金属极板的表面涂有一层驻极体薄膜并且将其接地，另一块金属极板是振动膜片。当驻极体膜片本身带电荷，表面电荷的电量是Q，两极板之间的电容量是C，则在柱头上面产生的电压为U=Q/C。当受到气流磨擦或者受到振动时，由于振动使两个极板之间的距离发生改变，即电容C发生了改变，而电量Q不变，这样就会引起电压发生变化。电压变化的大小，就反映了外界声压的强弱；电压变化的频率，就反映了外界声音的频率。

这种电容式声学传感器是历史最为悠久的声学传感器类型之一，其出现时间可以追溯到20世纪的初期。这种电容式声学传感器也是最为普遍的，因为它价格便宜，体积小巧，并且效果也不差。