声音传感器概述

声音传感器利用电能产生机械振动，进而扰动周围的空气产生声音，这些声音的频率范围广泛，既包括人类可听频率，也涵盖不可听频率。声音本质上是“声波”的统称，其频率范围从1Hz到数万赫兹，而人类听觉的上限大约在20kHz（20,000Hz）。声音传感器可以检测这些不同频率的声波，为我们感知和处理声音信息提供了可能。

声音的产生源于某种形式的机械振动，如音叉的振动。声波具有与电波相似的特性，包括波长（λ）、频率（ƒ）和速度（m/s）。声音的频率和波形由产生声音的源头或振动决定，而速度则取决于传输介质，如空气、水等。它们之间的关系可以用公式表示：

其中，波长是一个完整周期的时间，单位为秒（λ）；频率是每秒的波长数，单位为赫兹（ƒ）；速度是声波在传输介质中的速度，单位为m/s。

输入声音传感器——麦克风

麦克风是一种常见的输入声音传感器，它可以将声音转换为电信号。当声波作用于麦克风的柔性振膜时，振膜会随之振动，从而产生一个与声波成比例的电气模拟输出信号。这个信号是代表声波特性的“电气图像”，通常为电压或电流形式。

常见的麦克风类型包括动态麦克风、电容麦克风、带式麦克风和压电晶体类型。其中，动态麦克风的结构类似于扬声器，但工作原理相反。它是一种动圈式麦克风，内部有一个非常小的细线线圈悬挂在永磁体的磁场中。当声波击中柔性振膜时，振膜会随着声压的作用前后移动，导致附着的线圈在磁场中移动。根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中的运动产生电压，该电压信号与作用在振膜上的声压成比例。由于线圈通常非常小，其运动范围也非常小，因此产生的输出信号具有很好的线性度，且与声音信号相位相差90度。不过，由于线圈是低阻抗电感器，输出电压信号通常较低，需要进行某种形式的“预放大”。

图1动态动圈麦克风声音传感器

由于动态麦克风的结构与扬声器相似，因此在某些情况下，也可以使用实际的扬声器作为麦克风。虽然普通扬声器的质量可能不如专业录音室麦克风，但合理扬声器的频率响应实际上比一些便宜的“免费”麦克风更好。扬声器通常用作麦克风的常见应用包括对讲机和步话机等。

输出声音传感器——扬声器

扬声器是一种输出声音传感器，也被称为“声音执行器”，它的任务是将复杂的电气模拟信号转换为尽可能接近原始输入信号的声波。扬声器有各种形状、尺寸和频率范围，常见的类型包括动圈式、静电式、等动力式和压电式。其中，动圈式扬声器是电子电路、套件和玩具中最常用的类型。

动圈式扬声器的工作原理与动态麦克风相反。它内部有一个细线线圈，称为“语音线圈”，悬挂在一个非常强的磁场中，并附着在一个纸或聚酯薄膜锥体上，称为“振膜”，振膜本身边缘悬挂在金属框架或底盘上。当模拟信号通过扬声器的语音线圈时，会产生一个电磁场，其强度由流过“语音”线圈的电流决定。该磁场产生的电磁力与周围的永磁场相互作用，推动线圈向一个方向或另一个方向移动。由于语音线圈永久附着在锥体/振膜上，振膜也会随之移动，其运动扰动周围的空气，从而产生声音或音符。如果输入信号是连续的正弦波，则锥体将像活塞一样进出移动，推动和拉动空气，听到的将是代表信号频率的连续单音。锥体移动的强度和速度决定了声音的响度。

图2动圈扬声器

大多数扬声器的阻抗值在4到16Ω之间，称为扬声器的“标称阻抗”值，通常在0Hz或直流下测量。为了在放大器和扬声器之间获得最大功率传输，始终匹配放大器的输出阻抗和扬声器的标称阻抗非常重要。此外，选择好的扬声器电缆也是提高扬声器效率的重要因素，因为电缆的内部电容和磁通特性会随信号频率变化，从而导致频率和相位失真，衰减信号。对于高功率放大器，大电流通过电缆，细小的电缆在长时间使用期间可能会过热，降低效率。

人类耳朵通常可以听到20Hz到20kHz之间的声音，现代扬声器的频率响应（称为通用扬声器）被设计为在此频率范围内工作。对于高性能高保真（Hi-Fi）音频系统，声音的频率响应被分成不同的较小子频率，以提高扬声器的效率和整体音质。在具有单独低音、高音和中音扬声器的多扬声器外壳中，使用被动或主动“分频器”网络来确保音频信号被准确分割并由所有不同的子扬声器再现。该分频器网络由电阻、电感、电容、RLC型无源滤波器或运算放大器有源滤波器组成，其分频或截止频率点与各个扬声器的特性精确匹配。

图3多扬声器（高保真）设计

其他类型的声音传感器

除了麦克风和扬声器，还有许多其他类型的声音传感器。例如，使用压电器件检测极高频率的传感器、设计用于水下检测水下声音的水听器以及用于检测潜艇和船只的声纳传感器等。这些声音传感器在不同的领域发挥着重要作用，满足了各种特殊的应用需求。

综上所述，声音传感器在我们的生活和科技领域中无处不在，它们通过将声音与电信号相互转换，为我们带来了丰富多彩的音频体验。随着技术的不断发展，声音传感器的性能和应用范围也将不断拓展和提升。