現(xiàn)代聲波傳感器及應(yīng)用

張伯淳

摘 要：聲波，是諸多波中的一種，在我們平時(shí)交流、溝通時(shí)，聲波就是傳播的物質(zhì)。說話的時(shí)候或是發(fā)出聲音的時(shí)候，喉嚨要振動(dòng)發(fā)聲，這樣聲波就會(huì)依靠各種介質(zhì)向四面八方傳播，使別人能夠聽見。而聲波傳感器，就是一種將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。各式各樣的聲波傳感器都能夠完成不同的工作，它們能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以完成遠(yuǎn)程傳播，應(yīng)用到現(xiàn)在的媒體、廣播、電話等物品上。聲波傳感器類別繁多，功能不盡相同?，F(xiàn)在人們要研究新型傳感器，以簡化、縮小為目的，現(xiàn)在的語音識(shí)別技術(shù)，也逐漸成為熱門研究對(duì)象。本文主要介紹了聲波傳感器的分類，簡單描述各自的原理以及概述一下較為重要的兩種傳感器的功能，并對(duì)未來聲波傳感器的發(fā)展做出了一定的展望。

關(guān)鍵詞：聲波；聲波傳感器；新型傳感器

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0033-02

1 聲波及其物理性質(zhì)

1.1 聲波的物理指標(biāo)

一般聲波指的是機(jī)械振動(dòng)引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，由近到遠(yuǎn)的向四面八方傳播。在開闊的空氣中，聲波的傳播是逐漸擴(kuò)散的，能產(chǎn)生聲音的物體稱為聲源。自然界中有許多的聲源，例如音叉、發(fā)聲器官、樂器等，自然聲源有風(fēng)暴、海浪、地震等許許多多。聲波的傳播需要介質(zhì)，傳遞性良好的介質(zhì)利于傳播，如空氣、水等。真空狀態(tài)下，沒有介質(zhì)，因此聲音不能傳播。

聲波的物理性質(zhì)很多，主要有頻率，聲壓，聲強(qiáng)，聲功率等。

（1）頻率。聲波的頻率根據(jù)頻率的不同，聲音可分為次聲波，可聞聲波，超聲波等。人耳能聽到的聲音的頻率范圍是：16HZ-20KHZ。次聲波的頻率范圍是小于等于16HZ。

（2）聲壓。物理學(xué)上把一定體積的物質(zhì)稱為一個(gè)體積元，若一個(gè)體積元的物質(zhì)受聲波擾動(dòng)后，壓強(qiáng)由變成，則聲擾后產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)就是聲壓，在自然界中壓強(qiáng)是在不斷變化的。所以聲壓是空間和時(shí)間的函數(shù)，即。由于通過聲壓可以求得其它物理量，所以聲壓成為普遍描述聲波性質(zhì)的物理量。聲壓的單位是帕（Pa）或微巴，一微巴=0.1Pa。

（3）聲阻抗率。聲阻抗率是聲場中某位置的聲壓與該位置質(zhì)點(diǎn)速度的比值

一般情況下，聲阻抗率的值為復(fù)數(shù)，對(duì)平面聲波面言，。

（4）聲功率與聲強(qiáng)。將單位時(shí)間通過垂直于聲傳播方向面積的平均聲能量稱為平均聲功率，單位是。將單位時(shí)間通過垂直于聲傳播方向的單位面積的平均聲能量稱為聲強(qiáng)。當(dāng)聲波傳播到原來靜止的媒質(zhì)中時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近來回振動(dòng)。讓原來靜止的媒質(zhì)有了功能，而媒質(zhì)從聲擾動(dòng)處得到的能量，還包括媒質(zhì)自身產(chǎn)生了壓縮和膨脹使自身得到的能量聲擾動(dòng)傳播走，聲能量也立刻轉(zhuǎn)移。

1.2 聲波的擴(kuò)散

聲波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，一部分會(huì)反射回來，一部分會(huì)透射過去。聲波的反射和透射取決于媒質(zhì)的阻抗作用，聲波的反射和折射滿足斯奈爾聲波反射與折射定律，定律內(nèi)容為：設(shè)入射角為，反射角為，折射角為，則有：

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。聲波的衰減規(guī)律為：

是平面波在處的聲壓和聲強(qiáng)，為平面波在處的聲壓和聲強(qiáng)，為衰減系數(shù)。聲波能量的衰減取決于聲波的擴(kuò)散，散射和吸收，它的衰減系數(shù)能限制聲波的探測厚度和傳播距離，隨著聲波傳播距離的增加，單位面積上的聲能減弱。一般的媒質(zhì)里，聲波隨距離衰減時(shí)，介質(zhì)會(huì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能而消散掉，這種因介質(zhì)的吸收而導(dǎo)致聲波的耗散稱為聲波的吸收，引起聲波吸收的原因很多。在普通的媒質(zhì)里，聲波吸收的主要原因是灰塵粒子對(duì)媒質(zhì)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦損耗和聲波對(duì)粒子的散射引起的附加能量，衰減系數(shù)因介質(zhì)材料的性質(zhì)而異，晶粒越粗，衰減越大。聲波的擴(kuò)散形象化表示如圖1所示。

1.3 聲波的分類

聲波共分為三類：縱波、橫波和表面波。縱波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，縱波可以在固體、液體、氣體中傳播。橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，只可以在固體中傳播。表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在橫波縱波之間，沿表面?zhèn)鞑?，表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形。

2 常見可聞聲聲波傳感器原理

聲波傳感器是在氣體、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?，F(xiàn)在傳感器是聲波傳感技術(shù)的主體。聲波傳感器主要分以下幾類：電磁變換型，靜電變換型，電阻變換型，光電變換型，而這其中電阻變換型傳感器和電磁變換型傳感器最為常見。

（1）電阻變換型聲波傳感器。

電阻變換型傳感器按原理分為阻抗變換和接觸阻抗兩種，阻抗變換型聲波傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或者半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在感應(yīng)聲壓作用的膜片上構(gòu)成的。聲壓作用在膜片上時(shí)，膜片會(huì)發(fā)生形變，應(yīng)變片的阻抗就會(huì)變化，輸出電壓信號(hào)以此完成聲信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)。而接觸阻抗型聲波傳感器的一個(gè)實(shí)例是炭粒式送話器。如圖所示，聲壓作用在膜片上時(shí)，膜片上產(chǎn)生振動(dòng)膜片和電極之間炭粒的接觸電阻發(fā)生變化。這樣，通過送話器的電流便會(huì)變化，電流經(jīng)變壓器耦合后，再經(jīng)放大器放大后輸出。

（2）電磁變換型聲波傳感器。

電磁變換型聲波傳感器分為動(dòng)磁式，動(dòng)鐵式，磁感應(yīng)式和可變磁阻式，電磁材料一般用導(dǎo)磁度高的導(dǎo)磁合金，電磁變換型傳感器的實(shí)例是動(dòng)圈式話筒，如圖所示，動(dòng)圈式話筒由磁鐵和軟鐵組成磁路，磁場就在磁鐵芯柱與軟鐵形成的氣隙中，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)磁場中，當(dāng)振動(dòng)膜片受聲波的作用后，帶動(dòng)線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3 超聲波傳感器

3.1 超聲波

超聲波是頻率超過20KHZ的聲波，它是不可聞的聲波。超聲波的波長短、衍射小，方向性好，頻率高，具有較強(qiáng)的穿透能力，反射性能良好，探測的距離遠(yuǎn)，定位精度高，檢測靈敏度高。超聲波的量非常巨大，是聲波的一百萬倍左右，因此，超聲波可以入射到很多材料中，探測豐富的信息，而超聲波傳感器，即是產(chǎn)生和接收超聲波的裝置，一般稱之為超聲波換能器。超聲波換能器分為壓電式換能器，磁致伸縮換能器，電磁式換能器等。

3.2 超聲波傳感器

超聲波測厚的原理即脈沖回波法檢測厚度。超聲波換能器與試件表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送住發(fā)射電路來激發(fā)壓電探頭產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖，脈沖波傳到被測工件的另一面被反彈回來，被同一探頭接收。若超聲波在工件中的聲速為，測得脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間為，即

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。如圖2是一種超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖。由發(fā)送傳感器（或稱波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測.而實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。振動(dòng)用壓電陶瓷制成，加上共振喇叭可提高靈敏度，當(dāng)振子處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，當(dāng)振子處于接收狀態(tài)時(shí)，能靈敏地偵測共振頻率的超聲波，它可用于電視遙控和防盜等裝置。超聲波的應(yīng)用電路很多，以發(fā)射電路和接收電路尤為重要。

超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。

4 次聲波傳感器

4.1 次聲波

次聲波又稱亞聲波，頻率范圍在10-4～16HZ之間。次聲波通常產(chǎn)生于核爆炸，火箭起飛，飛機(jī)起降等事件中，還有一種次聲波聲源是次聲發(fā)生器，它具有較大的功率。次聲波的頻率低，傳播時(shí)有其特殊性。次聲波的傳播速度快，在空氣當(dāng)中每秒三百多米，在水中每秒可達(dá)到1500米，次聲波的傳播距離遠(yuǎn)。在傳播過程中衰減很小，在空氣中傳播幾千千米時(shí)，衰減不過萬分之一；次聲波的穿透力強(qiáng)，一般的可聞聲波穿不過一堵墻，而次聲波能穿透鋼筋混凝土。

4.2 次聲波傳感器

次聲波傳感器是接收次聲波的傳聲器，次聲波的波長太小數(shù)量級(jí)也只有幾十到幾百Pa，所以必須把其機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來分析次聲波的物理特性，常見的次聲傳感器有電容式次聲波傳感器，動(dòng)圈式次聲波傳感器，波紋管膜盒型次聲波傳感器，光纖式次聲波傳感器等。

如圖3所示為電容式次聲波傳感器，主要由前腔聲阻R1、前腔聲順C1、帶膜片的支撐環(huán)，膜片聲順Cs、極板、均壓管聲阻R2，后聲順C2，絕緣板等構(gòu)成，膜片與靠得很近的剛性后極板構(gòu)成一個(gè)平行板電容器，電容量為C0，聲波作用時(shí)膜片振動(dòng)，使電容變化△C，進(jìn)行軟化成電壓信號(hào)輸出。電容式次聲波傳感器體積小，頻帶寬，輸出電壓大，靈敏度高，頻率響應(yīng)好，長期穩(wěn)定性高，可以直接與記錄器或信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接，它的頻度響應(yīng)為勁度控制，其系統(tǒng)的定頻限取決于系統(tǒng)的精度，在第一共振頻率以下可以有平直的響應(yīng)，其下限頻率可以做的很低，電容的精度不受外界影響改變彈性。

5 新型聲波傳感器及未來發(fā)展

新型聲波傳感器不斷出現(xiàn)，而人工智能也在研究之中，聽覺傳感器即屬于人工智能裝置，主要利用自然語言信息處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，還有微波諧振器，高頻率和更低頻率的聲波傳感器等，應(yīng)用范圍越來越廣。聲波傳感器的未來發(fā)展方向主要是：研究小型化、集成化、自動(dòng)化的傳感器裝置及陣列傳感器，進(jìn)一步提高其靈密度、穩(wěn)定性，并不斷拓展其適用的環(huán)境，最終發(fā)展到有創(chuàng)造力的智能化傳感器。

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