專題16聲傳感器

專題15聲傳感器2023/2/512023/2/527.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器1）傳聲器概述噪聲檢測屬于聲學(xué)測量。聲級計是常用的噪聲測量儀器，它由傳聲器、放大器、衰減器、加權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波電路和電表等組成。其中，傳聲器就是空氣聲傳感器，它將聲源通過空氣振動產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號，是一種重要的電聲器件。按原理和結(jié)構(gòu)分類，主要有電動式、電容式和駐極體傳聲器等種類，其中以電容式傳聲器性能最佳。電動式傳聲器利用電磁感應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)換為電能，其中絕大多數(shù)為動圈式結(jié)構(gòu)。動圈式傳聲器由振動膜片、可動線圈、永久磁鐵等組成。其工作是振動膜片受到聲波壓力后開始振動，并帶動和它裝在一起的可動線圈在磁場內(nèi)振動以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流根據(jù)振動膜片受到聲波壓力的大小而變化。動圈式的結(jié)構(gòu)特點使其難以微型化。而電容式等在這方面具有優(yōu)勢。

2023/2/537.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器2）電容式傳聲器：又稱電容式話筒，它由聲音引起振膜振動，導(dǎo)致電容量變化來實現(xiàn)檢測。特點：頻率范圍寬，靈敏度高，動態(tài)范圍寬，輸出穩(wěn)定性好，環(huán)境適應(yīng)性強，外形尺寸小。電容式是目前較優(yōu)越的一種聲傳感器，在廣播電臺等許多場合都得到廣泛的應(yīng)用。電容式傳聲器組成：極頭+前置放大器+極化電壓供給電路基本結(jié)構(gòu)：如圖所示，電容式傳聲器的極頭是平板電容器，一個極(背極)固定不動；另一極是薄的振膜由很薄的金屬膜或金屬化的塑料薄膜制成。兩極板間隙很小，一般20～50m，以空氣為介質(zhì)，電容量約50～200pF。膜片受聲壓作用發(fā)生變形，使兩極板間的距離變化，于是改變電容，電壓隨之化，從而將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?023/2/547.3聲傳感器

7.3.1聲及傳聲器

電容轉(zhuǎn)換成電壓的兩種方式：一是振蕩檢波方式；另一種是直流極化方式，經(jīng)過大電阻RJ，在電容器兩端加一直流極化電壓，電容變化引起電流的變化，電阻RJ兩端的電壓隨之相應(yīng)地變化，從而取出相應(yīng)電信號。大多數(shù)電容式聲傳感器采用“直流極化”方式，其電路如圖所示。直流極化電壓UJ一般為40～200V。這個極化電壓通過一個阻值為30～1000MΩ的大電阻RJ串聯(lián)在電容兩極間。無聲波時，當(dāng)電容的充電過程結(jié)束后，RJ上的電流為零，這時RJ端電壓UR為零，電容兩端電壓為極化電壓UJ0。當(dāng)聲波作用使電容量發(fā)生相應(yīng)變化時，電容器兩極板上的電荷發(fā)生變化，在RJ上通過與電容量變化相應(yīng)的交流電流，而電阻上將產(chǎn)生代表聲音信號的交變電壓UR。2023/2/557.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器電容式聲傳感器的電容C包括兩部分：一個是膜片與后極板之間形成的電容，這部分電容隨膜片所受的聲波作用而變化，稱為可變電容Ct；另一個是引線與外殼之間的裝置電容，以及后續(xù)電路的輸入電容，這部分電容不受聲波作用的影響，稱為固定電容Cp。C=Ct+Cp

對可變電容Ct，可按平板空氣介質(zhì)電容來計算，即

式中，Ct0=0S/(4d0)為膜片與后極板間的靜態(tài)電容，即Ct的靜態(tài)值；0為電容兩極間介質(zhì)的介電系數(shù)，空氣中0=1；S為膜片的等效面積：d0為膜片與后極板間的靜態(tài)距離；X為膜片受聲波作用產(chǎn)生的等效位移幅值。2023/2/567.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器設(shè)膜片振動產(chǎn)生的交流電動勢幅值為U，則:UJ–U=Q/(Ct+Cp)

式中，UJ為極化直流電壓；U為電容變化產(chǎn)生的交變電勢幅值；Q為電容存儲電荷。設(shè)膜片的相對位移δt=X/d0，則

在靜態(tài)時，有UJ=Q0/(Ct0+Cp)；由于U>UJ，因此Q0Q，則電容產(chǎn)生的信號電勢U為:

當(dāng)作用于傳感器膜片的聲壓PD不太強時，有δt2<<δt，并考慮

Q0=UJ(Cp+Ct0)，則:

那么，電容式聲傳感器電容產(chǎn)生的信號電勢U與膜片的振動位移X成正比。2023/2/577.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器傳感器電容的輸出電壓幅值UL為:

式中，Z為Cp、RJ、Ri的并聯(lián)阻抗；Ri為放大電路的輸出阻抗。若Cp<<Ct，上式近似為:

式中，R=RJ//Ri。為展寬傳聲器的低頻響應(yīng)，要求極化電阻阻值很大，但高阻抗不能直接接傳輸線輸出，否則易引進外界干擾，且傳輸線的分布電容也會導(dǎo)致低頻頻響惡化。必須采用前置放大器進行阻抗變換。前置放大器裝在傳聲器殼體內(nèi)，是電容式傳聲器的一個重要組成部分，其性能好壞將直接影響傳聲器的特性。前置放大器的要求：輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍寬等。目前，前置放大器基本都是由低噪聲的FET組成。2023/2/587.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器3）駐極體電容傳聲器某些電介質(zhì)經(jīng)高溫高壓處理后，能在兩表面上分別儲存正、負(fù)電荷，這種電介質(zhì)稱駐極體。目前所用駐極體材料有聚丙烯、聚全氟乙丙烯等。聚丙烯有較高的電荷密度，但耐潮性差；聚全氟乙丙烯有較高的電荷密度且穩(wěn)定性好，能耐高溫，廣泛用于傳聲器、耳機等電聲器件。駐極體傳聲器分為振膜式和背極式。背極式駐極體電容傳聲器由于膜片與駐極體材料各自發(fā)揮其特長，因此性能比振膜式駐極體傳聲器好。駐極體傳聲器的結(jié)構(gòu)與一般電容式傳聲器大致相同，工作原理也相同，但不需要外加極化電壓，而是由駐極體膜片或帶駐極體薄層的極板表面電位來代替的。駐極體傳聲器的振膜受聲波振動時，就會產(chǎn)生一個按聲波規(guī)律變化的微小電流，經(jīng)過電路放大后就產(chǎn)生了音頻信號電壓。2023/2/597.3聲傳感器7.3.1聲及傳聲器3）駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器極頭的輸出阻抗很高，必須在極頭后面接阻抗變換器。通常，阻抗變換由二極管和場效應(yīng)晶體管組合的放大器實現(xiàn)。和電容式傳聲器一樣，駐極體傳聲器的振膜采用的材料薄、質(zhì)量輕，其瞬態(tài)特性好，頻響特性寬而平。駐極體傳聲器中的二極管起抗阻塞作用。聲信號較弱時，極頭輸出的電信號遠小于二極管的正向?qū)妷?，二極管呈現(xiàn)很大的阻抗，使得G、S極之間的阻抗不致降低，因而不會影響傳輸系數(shù)。當(dāng)聲信號較大時，極頭輸出的電壓接近或超過二極管正向?qū)妷?，二極管兩極間阻值降低，即場效應(yīng)管輸入阻抗下降，與信號源內(nèi)阻分壓所得的輸入電壓小于場效應(yīng)管的熔斷電壓，從而不致造成截止，起到了抗阻塞的作用。2023/2/5107.3聲傳感器7.3.1