聲波傳感技術(shù)

按照轉(zhuǎn)換原理將這類傳感器分為阻抗變換和接觸阻抗型兩種。阻抗變換型聲波傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在感應(yīng)聲壓作用的膜片上構(gòu)成的。當(dāng)聲壓作用在膜片上時(shí)，膜片產(chǎn)生形變使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變化，檢測(cè)電路會(huì)輸出電壓信號(hào)從而完成聲-電的轉(zhuǎn)換。接觸阻抗型聲波傳感器的一個(gè)典型實(shí)例是碳粒式送話器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生振動(dòng)，在膜片和電極之間碳粒的接觸電阻發(fā)生變化，從而調(diào)制通過送話器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器放大后輸出。如OJK-2型接觸式抗噪聲送話器:頻率范圍為200Hz-4000Hz，平均靈敏度≥500mV/0.316g，工作電壓DC為(9±3)V，工作電流￡10mA，信噪比≥18dB。

圖1碳粒式送話器的工作原理圖

利用壓電晶體的壓電效應(yīng)可制成壓電聲波傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中壓電晶體的一個(gè)極面與膜片相連接。當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動(dòng)時(shí)，膜片帶動(dòng)壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使得壓電晶體產(chǎn)生隨聲壓大小變化而變化的電壓, 從而完成聲-電的轉(zhuǎn)換。這種傳感器用在空氣中測(cè)量聲音時(shí)稱為話筒，大多限制在可聽頻帶范圍(20Hz~20KHz);進(jìn)而拓展研制成水聲器件、微音器和噪聲計(jì)等。

圖2 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 壓電水聽器

在水中聲音的傳播速度快、傳輸衰減小，且水中各種噪聲的聲壓分貝一般比空氣中的分貝值約高20dB。水中的音響技術(shù)涉及深度檢測(cè)、魚群探測(cè)、海流檢測(cè)及各種噪聲檢測(cè)等。圖3為水聽器的頭部斷面，其中壓電片用壓電陶瓷元件，常用半徑方向上被極化了的薄壁圓筒形振子;由于壓電元件呈電容性，加長(zhǎng)輸出電纜效果不理想，因此在水聽器的元件之后配置場(chǎng)效應(yīng)管，進(jìn)行阻抗變換以便得到電壓輸出。由于使用于海中等特殊環(huán)境，因此，要求具有防水性和耐壓性。目前生產(chǎn)有SQ52、SQ42、SQ31等型號(hào)的寬帶水聽器，SQ48、SQ01、SQ03等型號(hào)的一般性水聽器，SQ05、SQ06、SQ34等型號(hào)的地震及拖拽線列陣水聽器以及SQ09、SQ13發(fā)送/接收水聽器。其中SQ48水聽器的探頭結(jié)構(gòu)采用了小型球體，能提供很寬的頻率范圍和全向性的反應(yīng)特性，使得它在水下100kHz的聲音測(cè)量和校準(zhǔn)都非常理想，還帶有一個(gè)集成的低噪音前置放大器，在沒有扭曲的情況下，能驅(qū)動(dòng)很長(zhǎng)的線纜。其電壓靈敏度為-165.0±1.0dBV，工作深度為水下3500m，頻率范圍為25Hz~100000Hz。

圖3 水聽器頭部斷面

3.1.2 微音器

壓電元件用作壓電微音器，屬于低頻微音器，下限頻率取決于元件內(nèi)部的電容和電阻，在理論上可達(dá)到0.001Hz，但由于微音器的漏泄通路，一般僅達(dá)到1Hz，可測(cè)量油井井下液面的深度。圖4為壓電微音器的典型電路，這種微音器的前置放大器為電荷式放大。但是，壓電型傳感器受溫度變化影響時(shí)熱電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，故電荷放大器中應(yīng)內(nèi)裝高通濾波器。圖5為壓電微音器在噪聲計(jì)上的應(yīng)用電路。噪聲計(jì)用壓電微音器是一種使用20Hz~10kHz特殊頻率特性的例子，前置放大器用電壓型互補(bǔ)源跟隨器電路。在成對(duì)的FET中外加共同的門/源間電壓，F(xiàn)ET的對(duì)稱特性使放大器失真小。增大門電阻R4可獲得高輸入阻抗，有利于低噪聲放大器。

圖4 壓電微音器電路圖 圖5 壓電微音器的噪聲應(yīng)用

3.2.1 電容式送話器

圖6為電容式送話器的結(jié)構(gòu)示意圖，由金屬膜片、外殼及固定電極等組成。膜片作為一片質(zhì)輕且彈性好的電極，與固定電極組成一個(gè)間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下振動(dòng)時(shí)，與固定電極間的距離發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載電阻RL和直流電流極化電壓E，在電容量隨聲波的振動(dòng)變化時(shí)， RL的兩端就會(huì)產(chǎn)生交變電壓。電容式聲波傳感器的輸出阻抗呈容性，由于其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保證低頻時(shí)的靈敏度必須有一個(gè)輸入阻抗很大的變換器與其相連，經(jīng)阻抗變換后，再由放大器進(jìn)行放大。

圖6 電容式送話器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 駐極體電容話筒(ECM)

圖7為駐極體話筒結(jié)構(gòu)示意圖。由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個(gè)上面有若干個(gè)小孔的金屬固定電極(稱為背電極)構(gòu)成一個(gè)平板電容器。駐極體電極與背電極之間有一個(gè)厚度d0的空氣隙和厚度d1的駐極體作絕緣介質(zhì)。此駐極體是以聚酯、聚碳酸酯或氟化乙烯樹脂為介質(zhì)薄膜，且使其內(nèi)部極化膜上分布有自由電荷σ(電荷面密度(C/m))并將電荷(總電量為Q)固定在薄膜的表面。于是在電容器的兩極板上就有了感應(yīng)電荷，在駐極體的電極表面上所感應(yīng)的電荷σ1為: (1)

在金屬電極上的感應(yīng)電荷σ2為: (2)

式中，、分別為空氣和駐極體的電介系數(shù)。

圖7 駐極體話筒的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)，改變了電容器兩極板之間的距離，從而引起電容器的容量發(fā)生變化，而駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定(Q=CU，C(F)為圖7中系統(tǒng)的合成電容)，則必然引起電容器兩端電壓的變化，從而輸出電信號(hào)實(shí)現(xiàn)聲-電的變換。由于駐極式話筒體積小、重量輕，實(shí)際電容器的電容量很小，輸出電信號(hào)極為微小，輸出阻抗極高，可達(dá)數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，通常用一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)二極管復(fù)合組成專用的FET即阻抗變換器，如圖8中虛框所示，變換后輸出阻抗小于2K，多用于電視講話節(jié)目方面。圖8為攝像機(jī)內(nèi)型駐極體話筒的4種連接方式，對(duì)應(yīng)的話筒引出端有3端式與2端式兩種，圖 (a)、(c)為兩端式話筒的連接線路圖，(b)、(d)為三端式話筒的連接線路圖。圖中R是場(chǎng)效應(yīng)管的負(fù)載電阻，其取值直接關(guān)系到話筒的直流偏一置，對(duì)話筒的靈敏度等工作參數(shù)有較大的影響。圖(a)為二端式測(cè)試示意圖，只需兩根引出線;將FET場(chǎng)效應(yīng)管接成源極S輸出電路，S與電源正極間接一漏極電阻R，信號(hào)由源極輸出有一定的電壓增益，因而話筒靈敏度比較高。圖(b)為三端輸出式是將場(chǎng)效應(yīng)管接成源極輸出式，類似晶體三極管的射極輸出電路，需用三根引出線;漏極D接電源正極，源極S與地之間接一電阻R來提供源極電壓，信號(hào)由源極經(jīng)電容C輸出;源極輸出的電路比較穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍大，但輸出信號(hào)比漏極輸出小;這種目前市場(chǎng)上較為少見。無論何種接法，駐極體話筒必須滿足一定的偏置條件才能正常工作，即要保證內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管始終處于放大狀態(tài)。工作電壓為1.5~12V 之間，工作電流為0.1~1mA。在要求動(dòng)態(tài)范圍較大的場(chǎng)合應(yīng)選用靈敏度(單位是伏/帕)低一些(即紅點(diǎn)、黃點(diǎn))，這樣錄制的節(jié)目背景噪聲較小、信噪比較高，聲音聽起來比較干凈、清晰，但對(duì)電路的增益相對(duì)就要求高的些;在簡(jiǎn)易系統(tǒng)中可選用靈敏度高一點(diǎn)的產(chǎn)品，以減輕后級(jí)放大電路增益的壓力。索尼推出的ECM-670、ECM-672、ECM-674系列駐極體話筒，外部供電(直流48V) ，可安裝在攝像機(jī)及攝錄一體機(jī)上使用。

圖8 駐極體話筒的測(cè)試圖

聲波傳感技術(shù)

聲波傳感技術(shù)以聲波傳感器為主體，研究和發(fā)展聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置稱為聲波傳感器。一般聲波是指機(jī)械振動(dòng)引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)地傳播向四面八方傳播，在開闊空間的空氣中的傳播方式就像逐漸吹大的肥皂泡，是一種球形的陣面波。能產(chǎn)生振動(dòng)的物體被稱為聲源，自然界存在的聲源體有音叉、人和動(dòng)物的發(fā)聲器官、揚(yáng)聲器、電子鍵盤和各種樂器，以及地震震中、火山爆發(fā)、風(fēng)暴、海浪沖擊、槍炮發(fā)射、閃電源、熱核爆炸，還有雨滴、刮風(fēng)、飄動(dòng)的樹葉、昆蟲的翅膀等各種可活動(dòng)的物體等等。傳遞聲波的良好的彈性介質(zhì)有空氣、水、金屬、木頭等，在真空狀態(tài)中因沒有任何彈性介質(zhì)就不能傳播聲波。聲傳感器既能測(cè)試聲波的強(qiáng)度大小，也能顯示出聲波的波形，是與人耳朵相似具有頻率反應(yīng)的電麥克風(fēng)，可以按照檢測(cè)聲波的頻率分類，如超聲波傳感器、聲音傳感器、微波傳感器等，也可以按照傳感器的原理分為電容式、表面聲波傳感器等等。本章主要介紹基本的聲波傳播、聲波傳感器的基本結(jié)構(gòu)、原理和基本應(yīng)用。

中文名:聲波傳感技術(shù)

外文名:Acoustic wave sensing technique

應(yīng)用學(xué)科:計(jì)算機(jī)

將在氣體、液體或固體中傳播的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置都稱為聲波傳感器，可用接觸或非接觸的方法檢出聲波信號(hào)。聲波傳感器的種類很多，按測(cè)量原理可分為壓電、電致伸縮效應(yīng)、電磁感應(yīng)、靜電效應(yīng)和磁致伸縮等，見表1。

表1聲波傳感器的分類

電磁變換型聲波傳感器由電動(dòng)式芯子和支架構(gòu)成，有動(dòng)磁式(MM型)、動(dòng)鐵式(MI型)、磁感應(yīng)式(IM型)和可變磁阻式等。大多數(shù)磁性材料廣泛使用坡莫合金、鐵硅鋁磁合金和珀明德鐵鈷系高導(dǎo)磁合金。

電磁拾音器是MM型，其電動(dòng)式芯子在其線圈中都包含有磁芯，可檢測(cè)錄音機(jī)V形溝紋里記錄的上下、左右的振動(dòng)。國(guó)外大多生產(chǎn)MM型芯子，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，隨著磁鐵速度的變化，由固定線圈本身交鏈磁通的變化(dΦ/dt)產(chǎn)生輸出電壓，從線圈a、b端子即可獲得輸出結(jié)果。用于引擎測(cè)速的電磁拾音器有EM81/EM121，當(dāng)一鐵磁性物體(常為發(fā)電機(jī)起動(dòng)齒輪)經(jīng)過電磁拾音器時(shí)，使拾音器內(nèi)感應(yīng)出電壓信號(hào)，用其頻率能準(zhǔn)確地測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)的速度。將此電壓的頻率(轉(zhuǎn)速信息)作為速度控制信號(hào)提供給引擎調(diào)速器，使調(diào)速器控制并穩(wěn)定引擎轉(zhuǎn)速。

圖9 MM型拾音器芯子 圖10 動(dòng)圈式話筒結(jié)構(gòu)

圖10示出動(dòng)圈式話筒的結(jié)構(gòu)。由磁鐵和軟鐵組成磁路，磁場(chǎng)集中在磁鐵芯柱與軟鐵形成的氣隙中。在軟鐵的前部裝有振動(dòng)膜片，其上帶有線圈，線圈套在磁鐵芯柱上位于強(qiáng)磁場(chǎng)中。當(dāng)振動(dòng)膜片受聲波作用時(shí)，帶動(dòng)線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。因線圈的圈數(shù)很少，其輸出端還接有升壓變壓器以提高輸出電壓。動(dòng)圈式話筒的產(chǎn)品很多，如德國(guó)的E602、E904、E935和MD421，奧地利的D3700、D3800、D440和D770，美國(guó)的RS45、RS35、 RS25、8900CN、8800CN、8700CN、PG57-XLR 、PG58-XLR 和PG48CN-L等等。

圖11示出心音導(dǎo)管尖端式傳感器，其壓力檢測(cè)元件(即振動(dòng)片)配置在心音導(dǎo)管端部，探頭比較小。它是用光導(dǎo)纖維束來傳輸光，將端部壓力元件的位移由振動(dòng)片反射回來，從而引起光量的變化，然后由光敏元件檢測(cè)光量的變化以讀出壓力值。用于測(cè)定-50~200mmHg的血壓(誤差±2mmHg)、檢測(cè)20Hz~4KHz的心音和心雜音的發(fā)聲部位以診斷疾病。壓力檢測(cè)元件還可使用電磁式、應(yīng)變片式、壓電陶瓷式等。

圖11 光導(dǎo)纖維導(dǎo)管尖端式血壓計(jì)

光纖水聽器具有靈敏度高、頻帶響應(yīng)寬、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)輕巧、易于遙測(cè)和構(gòu)成大規(guī)模陣列等特點(diǎn)，尤其具有足夠高的聲壓靈敏度，比壓電陶瓷水聽器高3個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)聲波調(diào)制方式的原理不同，可分為三大類型:調(diào)相型 (主要指干涉型)、調(diào)幅型和偏振型光纖水聽器。圖12為基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。由激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂即信號(hào)臂，接受聲波的調(diào)制，另一路構(gòu)成參考臂，提供參考相位。兩束波經(jīng)另一個(gè)耦合器合束發(fā)生干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解調(diào)信號(hào)處理就可以拾取聲波的信息。

圖12 基于光纖干涉儀的光纖水聽器原理示意圖

另外，光強(qiáng)調(diào)制型光纖水聽器是利用光纖微彎損耗導(dǎo)致光功率的變化和光纖中傳輸光強(qiáng)被聲波調(diào)制的原理制備的;偏振型光纖水聽器或光纖布拉格光柵傳感器是利用光纖光柵作為基本傳感元件，用水聲聲壓對(duì)反射信號(hào)光波長(zhǎng)的調(diào)制原理制備的，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)中心反射波長(zhǎng)偏移情況來獲得聲壓變化的信息。它們均可用于采集地震波信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理可以得到待測(cè)區(qū)域的資源分布信息;用于勘探海洋時(shí)布放在海底，可以研究海洋環(huán)境中的聲傳播、海洋噪聲、混響、海底聲學(xué)特性以及目標(biāo)聲學(xué)特性等，也可以制作魚探儀用于海洋捕撈等作業(yè)。進(jìn)而，其聲納系統(tǒng)可用于岸基警戒系統(tǒng)、潛艇或水面艦艇的拖曳系統(tǒng);水下聲系統(tǒng)還可以通過記錄海洋生物發(fā)出的聲音，以研究海洋生物以及實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)等。一款HFO-660型光纖水聽器應(yīng)用于石油勘探，也可布放到高溫高壓的勘測(cè)井中或埋到沙漠中的沙子底下用于陸地勘探領(lǐng)域。