聲音傳感器利用電能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而擾動(dòng)周圍的空氣產(chǎn)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(tǒng)稱。聲音傳感器可以檢測(cè)這些頻率范圍從1Hz到數(shù)萬赫茲的聲波，人類聽覺的上限大約在20 kHz（20,000Hz）范圍內(nèi)。

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

音頻聲音傳感器

此外，實(shí)際的聲音不一定是一個(gè)連續(xù)頻率的聲波，如單音調(diào)或音符，也可能是由機(jī)械振動(dòng)、噪音甚至單個(gè)脈沖聲（如“砰”聲）產(chǎn)生的聲波。

音頻聲音傳感器包括輸入傳感器（如麥克風(fēng)，將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）和輸出執(zhí)行器（如揚(yáng)聲器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換回聲音）。

我們通常認(rèn)為聲音僅存在于人類耳朵可檢測(cè)的頻率范圍內(nèi)，即從20Hz到20kHz（典型的揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)），但聲音也可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這些范圍。

聲音傳感器還可以檢測(cè)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(dòng)。但為了讓聲音傳感器檢測(cè)或產(chǎn)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(jī)械振動(dòng)（如音叉）產(chǎn)生的能量波形，其“頻率”由聲音的來源決定。例如，低音鼓產(chǎn)生低頻聲音，而鈸產(chǎn)生高頻聲音。

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

聲波關(guān)系

- 波長(zhǎng)：一個(gè)完整周期的時(shí)間，單位為秒（λ）

- 頻率：每秒的波長(zhǎng)數(shù)，單位為赫茲（?）

- 速度：聲波在傳輸介質(zhì)中的速度，單位為m/s

麥克風(fēng)作為輸入聲音傳感器

麥克風(fēng)，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?yàn)樗a(chǎn)生一個(gè)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(hào)。該信號(hào)是代表聲波特性的“電氣圖像”。通常，麥克風(fēng)的輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，形式為電壓或電流，與實(shí)際聲波成比例。

最常見的麥克風(fēng)類型包括動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)、電容麥克風(fēng)、帶式麥克風(fēng)和較新的壓電晶體類型。麥克風(fēng)作為聲音傳感器的典型應(yīng)用包括音頻錄制、再現(xiàn)、廣播以及電話、電視、數(shù)字計(jì)算機(jī)錄音和醫(yī)用超聲波掃描儀。下圖展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的“動(dòng)態(tài)”麥克風(fēng)示例。

動(dòng)態(tài)動(dòng)圈麥克風(fēng)聲音傳感器

動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)類似于揚(yáng)聲器，但工作原理相反。它是一種動(dòng)圈式麥克風(fēng)，利用電磁感應(yīng)將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它有一個(gè)非常小的細(xì)線線圈懸掛在永磁體的磁場(chǎng)中。當(dāng)聲波擊中柔性振膜時(shí)，振膜會(huì)隨著聲壓的作用前后移動(dòng)，導(dǎo)致附著的線圈在磁場(chǎng)中移動(dòng)。

線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生電壓。線圈的輸出電壓信號(hào)與作用在振膜上的聲壓成比例，因此聲波越大或越強(qiáng)，輸出信號(hào)就越大，使這種麥克風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)壓力敏感。

由于線圈通常非常小，線圈和附著的振膜的運(yùn)動(dòng)范圍也非常小，產(chǎn)生一個(gè)非常線性的輸出信號(hào)，與聲音信號(hào)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(hào)也非常低，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種形式的“預(yù)放大”。

由于這種麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)類似于揚(yáng)聲器，因此也可以使用實(shí)際的揚(yáng)聲器作為麥克風(fēng)。顯然，普通揚(yáng)聲器的質(zhì)量不會(huì)像錄音室麥克風(fēng)那樣好，但合理揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)實(shí)際上比便宜的“免費(fèi)”麥克風(fēng)更好。此外，典型揚(yáng)聲器的線圈阻抗在8到16Ω之間。揚(yáng)聲器通常用作麥克風(fēng)的常見應(yīng)用包括對(duì)講機(jī)和步話機(jī)。

揚(yáng)聲器作為輸出聲音傳感器

聲音也可以用作輸出設(shè)備以產(chǎn)生警報(bào)聲或充當(dāng)警報(bào)器，揚(yáng)聲器、蜂鳴器、喇叭和發(fā)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(zhí)行器是“揚(yáng)聲器”。

揚(yáng)聲器是音頻聲音傳感器，被歸類為“聲音執(zhí)行器”，與麥克風(fēng)完全相反。它們的任務(wù)是將復(fù)雜的電氣模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為盡可能接近原始輸入信號(hào)的聲波。

揚(yáng)聲器有各種形狀、尺寸和頻率范圍，最常見的類型包括動(dòng)圈式、靜電式、等動(dòng)力式和壓電式。動(dòng)圈式揚(yáng)聲器是電子電路、套件和玩具中最常用的揚(yáng)聲器，因此我們將重點(diǎn)介紹這種類型的聲音傳感器。

動(dòng)圈揚(yáng)聲器的工作原理與我們上面討論的“動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)”完全相反。一個(gè)細(xì)線線圈，稱為“語音線圈”，懸掛在一個(gè)非常強(qiáng)的磁場(chǎng)中，并附著在一個(gè)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(fēng)不同，麥克風(fēng)是壓力敏感的輸入設(shè)備，而這種聲音傳感器可以被歸類為壓力生成的輸出設(shè)備。

動(dòng)圈揚(yáng)聲器

當(dāng)模擬信號(hào)通過揚(yáng)聲器的語音線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，其強(qiáng)度由流過“語音”線圈的電流決定，而電流又由驅(qū)動(dòng)放大器或動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)器的音量控制設(shè)置決定。該磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力與周圍的永磁場(chǎng)相互作用，并根據(jù)南北極之間的相互作用推動(dòng)線圈向一個(gè)方向或另一個(gè)方向移動(dòng)。

由于語音線圈永久附著在錐體/振膜上，振膜也會(huì)隨之移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)周圍的空氣，從而產(chǎn)生聲音或音符。如果輸入信號(hào)是連續(xù)的正弦波，則錐體將像活塞一樣進(jìn)出移動(dòng)，推動(dòng)和拉動(dòng)空氣，聽到的將是代表信號(hào)頻率的連續(xù)單音。錐體移動(dòng)的強(qiáng)度和速度決定了聲音的響度。

由于語音線圈本質(zhì)上是一個(gè)線圈，它像電感器一樣具有阻抗值。大多數(shù)揚(yáng)聲器的阻抗值在4到16Ω之間，稱為揚(yáng)聲器的“標(biāo)稱阻抗”值，在0Hz或直流下測(cè)量。

請(qǐng)記住，為了在放大器和揚(yáng)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(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗非常重要。大多數(shù)放大器-揚(yáng)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(yáng)聲器電纜也是揚(yáng)聲器效率的重要因素，因?yàn)殡娎|的內(nèi)部電容和磁通特性會(huì)隨信號(hào)頻率變化，從而導(dǎo)致頻率和相位失真。這會(huì)衰減信號(hào)。此外，對(duì)于高功率放大器，大電流通過這些電纜，因此在長(zhǎng)時(shí)間使用期間，細(xì)小的電纜可能會(huì)過熱，再次降低效率。

人類耳朵通?？梢月牭?0Hz到20kHz之間的聲音，現(xiàn)代揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)（稱為通用揚(yáng)聲器）被設(shè)計(jì)為在此頻率范圍內(nèi)工作，耳機(jī)、耳塞和其他類型的商用頭戴式耳機(jī)也用作聲音傳感器。

然而，對(duì)于高性能高保真（Hi-Fi）音頻系統(tǒng)，聲音的頻率響應(yīng)被分成不同的較小子頻率，從而提高揚(yáng)聲器的效率和整體音質(zhì)，如下所示：

在具有單獨(dú)低音、高音和中音揚(yáng)聲器的多揚(yáng)聲器外殼中，使用被動(dòng)或主動(dòng)“分頻器”網(wǎng)絡(luò)來確保音頻信號(hào)被準(zhǔn)確分割并由所有不同的子揚(yáng)聲器再現(xiàn)。

該分頻器網(wǎng)絡(luò)由電阻、電感、電容、RLC型無源濾波器或運(yùn)算放大器有源濾波器組成，其分頻或截止頻率點(diǎn)與各個(gè)揚(yáng)聲器的特性精確匹配。下圖展示了一個(gè)多揚(yáng)聲器“高保真”設(shè)計(jì)的示例。

多揚(yáng)聲器（高保真）設(shè)計(jì)

在本教程中，我們介紹了可用于檢測(cè)和生成聲波的不同聲音傳感器。麥克風(fēng)和揚(yáng)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(cè)極高頻率的傳感器、設(shè)計(jì)用于水下檢測(cè)水下聲音的水聽器以及用于檢測(cè)潛艇和船只的聲納傳感器。