专题16声传感器

专题15声传感器2023/2/512023/2/527.3声传感器7.3.1声及传声器1）传声器概述噪声检测属于声学测量。声级计是常用的噪声测量仪器，它由传声器、放大器、衰减器、加权网络、检波电路和电表等组成。其中，传声器就是空气声传感器，它将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号，是一种重要的电声器件。按原理和结构分类，主要有电动式、电容式和驻极体传声器等种类，其中以电容式传声器性能最佳。电动式传声器利用电磁感应将声能转换为电能，其中绝大多数为动圈式结构。动圈式传声器由振动膜片、可动线圈、永久磁铁等组成。其工作是振动膜片受到声波压力后开始振动，并带动和它装在一起的可动线圈在磁场内振动以产生感应电流。该电流根据振动膜片受到声波压力的大小而变化。动圈式的结构特点使其难以微型化。而电容式等在这方面具有优势。

2023/2/537.3声传感器7.3.1声及传声器2）电容式传声器：又称电容式话筒，它由声音引起振膜振动，导致电容量变化来实现检测。特点：频率范围宽，灵敏度高，动态范围宽，输出稳定性好，环境适应性强，外形尺寸小。电容式是目前较优越的一种声传感器，在广播电台等许多场合都得到广泛的应用。电容式传声器组成：极头+前置放大器+极化电压供给电路基本结构：如图所示，电容式传声器的极头是平板电容器，一个极(背极)固定不动；另一极是薄的振膜由很薄的金属膜或金属化的塑料薄膜制成。两极板间隙很小，一般20～50m，以空气为介质，电容量约50～200pF。膜片受声压作用发生变形，使两极板间的距离变化，于是改变电容，电压随之化，从而将声信号转变为电压信号。2023/2/547.3声传感器

7.3.1声及传声器

电容转换成电压的两种方式：一是振荡检波方式；另一种是直流极化方式，经过大电阻RJ，在电容器两端加一直流极化电压，电容变化引起电流的变化，电阻RJ两端的电压随之相应地变化，从而取出相应电信号。大多数电容式声传感器采用“直流极化”方式，其电路如图所示。直流极化电压UJ一般为40～200V。这个极化电压通过一个阻值为30～1000MΩ的大电阻RJ串联在电容两极间。无声波时，当电容的充电过程结束后，RJ上的电流为零，这时RJ端电压UR为零，电容两端电压为极化电压UJ0。当声波作用使电容量发生相应变化时，电容器两极板上的电荷发生变化，在RJ上通过与电容量变化相应的交流电流，而电阻上将产生代表声音信号的交变电压UR。2023/2/557.3声传感器7.3.1声及传声器电容式声传感器的电容C包括两部分：一个是膜片与后极板之间形成的电容，这部分电容随膜片所受的声波作用而变化，称为可变电容Ct；另一个是引线与外壳之间的装置电容，以及后续电路的输入电容，这部分电容不受声波作用的影响，称为固定电容Cp。C=Ct+Cp

对可变电容Ct，可按平板空气介质电容来计算，即

式中，Ct0=0S/(4d0)为膜片与后极板间的静态电容，即Ct的静态值；0为电容两极间介质的介电系数，空气中0=1；S为膜片的等效面积：d0为膜片与后极板间的静态距离；X为膜片受声波作用产生的等效位移幅值。2023/2/567.3声传感器7.3.1声及传声器设膜片振动产生的交流电动势幅值为U，则:UJ–U=Q/(Ct+Cp)

式中，UJ为极化直流电压；U为电容变化产生的交变电势幅值；Q为电容存储电荷。设膜片的相对位移δt=X/d0，则

在静态时，有UJ=Q0/(Ct0+Cp)；由于U>UJ，因此Q0Q，则电容产生的信号电势U为:

当作用于传感器膜片的声压PD不太强时，有δt2<<δt，并考虑

Q0=UJ(Cp+Ct0)，则:

那么，电容式声传感器电容产生的信号电势U与膜片的振动位移X成正比。2023/2/577.3声传感器7.3.1声及传声器传感器电容的输出电压幅值UL为:

式中，Z为Cp、RJ、Ri的并联阻抗；Ri为放大电路的输出阻抗。若Cp<<Ct，上式近似为:

式中，R=RJ//Ri。为展宽传声器的低频响应，要求极化电阻阻值很大，但高阻抗不能直接接传输线输出，否则易引进外界干扰，且传输线的分布电容也会导致低频频响恶化。必须采用前置放大器进行阻抗变换。前置放大器装在传声器壳体内，是电容式传声器的一个重要组成部分，其性能好坏将直接影响传声器的特性。前置放大器的要求：输入阻抗高、噪声低、动态范围宽等。目前，前置放大器基本都是由低噪声的FET组成。2023/2/587.3声传感器7.3.1声及传声器3）驻极体电容传声器某些电介质经高温高压处理后，能在两表面上分别储存正、负电荷，这种电介质称驻极体。目前所用驻极体材料有聚丙烯、聚全氟乙丙烯等。聚丙烯有较高的电荷密度，但耐潮性差；聚全氟乙丙烯有较高的电荷密度且稳定性好，能耐高温，广泛用于传声器、耳机等电声器件。驻极体传声器分为振膜式和背极式。背极式驻极体电容传声器由于膜片与驻极体材料各自发挥其特长，因此性能比振膜式驻极体传声器好。驻极体传声器的结构与一般电容式传声器大致相同，工作原理也相同，但不需要外加极化电压，而是由驻极体膜片或带驻极体薄层的极板表面电位来代替的。驻极体传声器的振膜受声波振动时，就会产生一个按声波规律变化的微小电流，经过电路放大后就产生了音频信号电压。2023/2/597.3声传感器7.3.1声及传声器3）驻极体电容传声器驻极体电容传声器极头的输出阻抗很高，必须在极头后面接阻抗变换器。通常，阻抗变换由二极管和场效应晶体管组合的放大器实现。和电容式传声器一样，驻极体传声器的振膜采用的材料薄、质量轻，其瞬态特性好，频响特性宽而平。驻极体传声器中的二极管起抗阻塞作用。声信号较弱时，极头输出的电信号远小于二极管的正向导通电压，二极管呈现很大的阻抗，使得G、S极之间的阻抗不致降低，因而不会影响传输系数。当声信号较大时，极头输出的电压接近或超过二极管正向导通电压，二极管两极间阻值降低，即场效应管输入阻抗下降，与信号源内阻分压所得的输入电压小于场效应管的熔断电压，从而不致造成截止，起到了抗阻塞的作用。2023/2/5107.3声传感器7.3.1