声波传感技术

按照转换原理将这类传感器分为阻抗变换和接触阻抗型两种。阻抗变换型声波传感器是由电阻丝应变片或半导体应变片粘贴在感应声压作用的膜片上构成的。当声压作用在膜片上时，膜片产生形变使应变片的阻抗发生变化，检测电路会输出电压信号从而完成声-电的转换。接触阻抗型声波传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，其结构如图1所示，当声波经空气传播至膜片时，膜片产生振动，在膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话器的电流，该电流经变压器耦合至放大器放大后输出。如OJK-2型接触式抗噪声送话器:频率范围为200Hz-4000Hz，平均灵敏度≥500mV/0.316g，工作电压DC为(9±3)V，工作电流£10mA，信噪比≥18dB。

图1碳粒式送话器的工作原理图

利用压电晶体的压电效应可制成压电声波传感器，其结构如图2所示，其中压电晶体的一个极面与膜片相连接。当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，使得压电晶体产生随声压大小变化而变化的电压, 从而完成声-电的转换。这种传感器用在空气中测量声音时称为话筒，大多限制在可听频带范围(20Hz~20KHz);进而拓展研制成水声器件、微音器和噪声计等。

图2 压电传感器的结构图

3.1.1 压电水听器

在水中声音的传播速度快、传输衰减小，且水中各种噪声的声压分贝一般比空气中的分贝值约高20dB。水中的音响技术涉及深度检测、鱼群探测、海流检测及各种噪声检测等。图3为水听器的头部断面，其中压电片用压电陶瓷元件，常用半径方向上被极化了的薄壁圆筒形振子;由于压电元件呈电容性，加长输出电缆效果不理想，因此在水听器的元件之后配置场效应管，进行阻抗变换以便得到电压输出。由于使用于海中等特殊环境，因此，要求具有防水性和耐压性。目前生产有SQ52、SQ42、SQ31等型号的宽带水听器，SQ48、SQ01、SQ03等型号的一般性水听器，SQ05、SQ06、SQ34等型号的地震及拖拽线列阵水听器以及SQ09、SQ13发送/接收水听器。其中SQ48水听器的探头结构采用了小型球体，能提供很宽的频率范围和全向性的反应特性，使得它在水下100kHz的声音测量和校准都非常理想，还带有一个集成的低噪音前置放大器，在没有扭曲的情况下，能驱动很长的线缆。其电压灵敏度为-165.0±1.0dBV，工作深度为水下3500m，频率范围为25Hz~100000Hz。

图3 水听器头部断面

3.1.2 微音器

压电元件用作压电微音器，属于低频微音器，下限频率取决于元件内部的电容和电阻，在理论上可达到0.001Hz，但由于微音器的漏泄通路，一般仅达到1Hz，可测量油井井下液面的深度。图4为压电微音器的典型电路，这种微音器的前置放大器为电荷式放大。但是，压电型传感器受温度变化影响时热电效应会产生噪声，故电荷放大器中应内装高通滤波器。图5为压电微音器在噪声计上的应用电路。噪声计用压电微音器是一种使用20Hz~10kHz特殊频率特性的例子，前置放大器用电压型互补源跟随器电路。在成对的FET中外加共同的门/源间电压，FET的对称特性使放大器失真小。增大门电阻R4可获得高输入阻抗，有利于低噪声放大器。

图4 压电微音器电路图 图5 压电微音器的噪声应用

3.2.1 电容式送话器

图6为电容式送话器的结构示意图，由金属膜片、外壳及固定电极等组成。膜片作为一片质轻且弹性好的电极，与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。当膜片在声波作用下振动时，与固定电极间的距离发生变化，从而引起电容量的变化。如果在传感器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电压E，在电容量随声波的振动变化时， RL的两端就会产生交变电压。电容式声波传感器的输出阻抗呈容性，由于其容量小，在低频情况下容抗很大，为保证低频时的灵敏度必须有一个输入阻抗很大的变换器与其相连，经阻抗变换后，再由放大器进行放大。

图6 电容式送话器结构示意图

3.2.2 驻极体电容话筒(ECM)

图7为驻极体话筒结构示意图。由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干个小孔的金属固定电极(称为背电极)构成一个平板电容器。驻极体电极与背电极之间有一个厚度d0的空气隙和厚度d1的驻极体作绝缘介质。此驻极体是以聚酯、聚碳酸酯或氟化乙烯树脂为介质薄膜，且使其内部极化膜上分布有自由电荷σ(电荷面密度(C/m))并将电荷(总电量为Q)固定在薄膜的表面。于是在电容器的两极板上就有了感应电荷，在驻极体的电极表面上所感应的电荷σ1为: (1)

在金属电极上的感应电荷σ2为: (2)

式中，、分别为空气和驻极体的电介系数。

图7 驻极体话筒的结构示意图

当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时，改变了电容器两极板之间的距离，从而引起电容器的容量发生变化，而驻极体上的电荷数始终保持恒定(Q=CU，C(F)为图7中系统的合成电容)，则必然引起电容器两端电压的变化，从而输出电信号实现声-电的变换。由于驻极式话筒体积小、重量轻，实际电容器的电容量很小，输出电信号极为微小，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，通常用一个场效应管和一个二极管复合组成专用的FET即阻抗变换器，如图8中虚框所示，变换后输出阻抗小于2K，多用于电视讲话节目方面。图8为摄像机内型驻极体话筒的4种连接方式，对应的话筒引出端有3端式与2端式两种，图 (a)、(c)为两端式话筒的连接线路图，(b)、(d)为三端式话筒的连接线路图。图中R是场效应管的负载电阻，其取值直接关系到话筒的直流偏一置，对话筒的灵敏度等工作参数有较大的影响。图(a)为二端式测试示意图，只需两根引出线;将FET场效应管接成源极S输出电路，S与电源正极间接一漏极电阻R，信号由源极输出有一定的电压增益，因而话筒灵敏度比较高。图(b)为三端输出式是将场效应管接成源极输出式，类似晶体三极管的射极输出电路，需用三根引出线;漏极D接电源正极，源极S与地之间接一电阻R来提供源极电压，信号由源极经电容C输出;源极输出的电路比较稳定、动态范围大，但输出信号比漏极输出小;这种目前市场上较为少见。无论何种接法，驻极体话筒必须满足一定的偏置条件才能正常工作，即要保证内置场效应管始终处于放大状态。工作电压为1.5~12V 之间，工作电流为0.1~1mA。在要求动态范围较大的场合应选用灵敏度(单位是伏/帕)低一些(即红点、黄点)，这样录制的节目背景噪声较小、信噪比较高，声音听起来比较干净、清晰，但对电路的增益相对就要求高的些;在简易系统中可选用灵敏度高一点的产品，以减轻后级放大电路增益的压力。索尼推出的ECM-670、ECM-672、ECM-674系列驻极体话筒，外部供电(直流48V) ，可安装在摄像机及摄录一体机上使用。

图8 驻极体话筒的测试图

声波传感技术

声波传感技术以声波传感器为主体，研究和发展声波信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。将声波信号转换成电信号的装置称为声波传感器。一般声波是指机械振动引起周围弹性介质中质点的振动由近及远地传播向四面八方传播，在开阔空间的空气中的传播方式就像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。能产生振动的物体被称为声源，自然界存在的声源体有音叉、人和动物的发声器官、扬声器、电子键盘和各种乐器，以及地震震中、火山爆发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、闪电源、热核爆炸，还有雨滴、刮风、飘动的树叶、昆虫的翅膀等各种可活动的物体等等。传递声波的良好的弹性介质有空气、水、金属、木头等，在真空状态中因没有任何弹性介质就不能传播声波。声传感器既能测试声波的强度大小，也能显示出声波的波形，是与人耳朵相似具有频率反应的电麦克风，可以按照检测声波的频率分类，如超声波传感器、声音传感器、微波传感器等，也可以按照传感器的原理分为电容式、表面声波传感器等等。本章主要介绍基本的声波传播、声波传感器的基本结构、原理和基本应用。

中文名:声波传感技术

外文名:Acoustic wave sensing technique

应用学科:计算机

将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置都称为声波传感器，可用接触或非接触的方法检出声波信号。声波传感器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致伸缩效应、电磁感应、静电效应和磁致伸缩等，见表1。

表1声波传感器的分类

电磁变换型声波传感器由电动式芯子和支架构成，有动磁式(MM型)、动铁式(MI型)、磁感应式(IM型)和可变磁阻式等。大多数磁性材料广泛使用坡莫合金、铁硅铝磁合金和珀明德铁钴系高导磁合金。

电磁拾音器是MM型，其电动式芯子在其线圈中都包含有磁芯，可检测录音机V形沟纹里记录的上下、左右的振动。国外大多生产MM型芯子，其结构如图9所示，随着磁铁速度的变化，由固定线圈本身交链磁通的变化(dΦ/dt)产生输出电压，从线圈a、b端子即可获得输出结果。用于引擎测速的电磁拾音器有EM81/EM121，当一铁磁性物体(常为发电机起动齿轮)经过电磁拾音器时，使拾音器内感应出电压信号，用其频率能准确地测量出发动机的速度。将此电压的频率(转速信息)作为速度控制信号提供给引擎调速器，使调速器控制并稳定引擎转速。

图9 MM型拾音器芯子 图10 动圈式话筒结构

图10示出动圈式话筒的结构。由磁铁和软铁组成磁路，磁场集中在磁铁芯柱与软铁形成的气隙中。在软铁的前部装有振动膜片，其上带有线圈，线圈套在磁铁芯柱上位于强磁场中。当振动膜片受声波作用时，带动线圈切割磁力线，产生感应电动势，从而将声信号转变为电信号输出。因线圈的圈数很少，其输出端还接有升压变压器以提高输出电压。动圈式话筒的产品很多，如德国的E602、E904、E935和MD421，奥地利的D3700、D3800、D440和D770，美国的RS45、RS35、 RS25、8900CN、8800CN、8700CN、PG57-XLR 、PG58-XLR 和PG48CN-L等等。

图11示出心音导管尖端式传感器，其压力检测元件(即振动片)配置在心音导管端部，探头比较小。它是用光导纤维束来传输光，将端部压力元件的位移由振动片反射回来，从而引起光量的变化，然后由光敏元件检测光量的变化以读出压力值。用于测定-50~200mmHg的血压(误差±2mmHg)、检测20Hz~4KHz的心音和心杂音的发声部位以诊断疾病。压力检测元件还可使用电磁式、应变片式、压电陶瓷式等。

图11 光导纤维导管尖端式血压计

光纤水听器具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点，尤其具有足够高的声压灵敏度，比压电陶瓷水听器高3个数量级。根据声波调制方式的原理不同，可分为三大类型:调相型 (主要指干涉型)、调幅型和偏振型光纤水听器。图12为基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。由激光经3dB光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂即信号臂，接受声波的调制，另一路构成参考臂，提供参考相位。两束波经另一个耦合器合束发生干涉，干涉光信号经光电探测器转换为电信号，解调信号处理就可以拾取声波的信息。

图12 基于光纤干涉仪的光纤水听器原理示意图

另外，光强调制型光纤水听器是利用光纤微弯损耗导致光功率的变化和光纤中传输光强被声波调制的原理制备的;偏振型光纤水听器或光纤布拉格光栅传感器是利用光纤光栅作为基本传感元件，用水声声压对反射信号光波长的调制原理制备的，通过实时检测中心反射波长偏移情况来获得声压变化的信息。它们均可用于采集地震波信号，经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息;用于勘探海洋时布放在海底，可以研究海洋环境中的声传播、海洋噪声、混响、海底声学特性以及目标声学特性等，也可以制作鱼探仪用于海洋捕捞等作业。进而，其声纳系统可用于岸基警戒系统、潜艇或水面舰艇的拖曳系统;水下声系统还可以通过记录海洋生物发出的声音，以研究海洋生物以及实现对海洋环境的监测等。一款HFO-660型光纤水听器应用于石油勘探，也可布放到高温高压的勘测井中或埋到沙漠中的沙子底下用于陆地勘探领域。