聲波感測技術

聲波感測技術以聲波感測器為主體，研究和發展聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和套用。將聲波信號轉換成電信號的裝置稱為聲波感測器。一般聲波是指機械振動引起周圍彈性介質中質點的振動由近及遠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。能產生振動的物體被稱為聲源，自然界存在的聲源體有音叉、人和動物的發聲器官、揚聲器、電子鍵盤和各種樂器，以及地震震中、火山爆發、風暴、海浪衝擊、槍炮發射、閃電源、熱核爆炸，還有雨滴、颳風、飄動的樹葉、昆蟲的翅膀等各種可活動的物體等等。傳遞聲波的良好的彈性介質有空氣、水、金屬、木頭等，在真空狀態中因沒有任何彈性介質就不能傳播聲波。聲感測器既能測試聲波的強度大小，也能顯示出聲波的波形，是與人耳朵相似具有頻率反應的電麥克風，可以按照檢測聲波的頻率分類，如超音波感測器、聲音感測器、微波感測器等，也可以按照感測器的原理分為電容式、表面聲波感測器等等。

基本介紹

• 中文名：聲波感測技術
• 外文名：Acoustic wave sensing technique

介紹

聲波感測技術以聲波感測器為主體，研究和發展聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和套用。將聲波信號轉換成電信號的裝置稱為聲波感測器。一般聲波是指機械振動引起周圍彈性介質中質點的振動由近及遠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。能產生振動的物體被稱為聲源，自然界存在的聲源體有音叉、人和動物的發聲器官、揚聲器、電子鍵盤和各種樂器，以及地震震中、火山爆發、風暴、海浪衝擊、槍炮發射、閃電源、熱核爆炸，還有雨滴、颳風、飄動的樹葉、昆蟲的翅膀等各種可活動的物體等等。傳遞聲波的良好的彈性介質有空氣、水、金屬、木頭等，在真空狀態中因沒有任何彈性介質就不能傳播聲波。聲感測器既能測試聲波的強度大小，也能顯示出聲波的波形，是與人耳朵相似具有頻率反應的電麥克風，可以按照檢測聲波的頻率分類，如超音波感測器、聲音感測器、微波感測器等，也可以按照感測器的原理分為電容式、表面聲波感測器等等。

聲波感測器

將在氣體、液體或固體中傳播的機械振動轉換成電信號的器件或裝置都稱為聲波感測器，可用接觸或非接觸的方法檢出聲波信號。聲波感測器的種類很多，按測量原理可分為壓電、電致伸縮效應、電磁感應、靜電效應和磁致伸縮等，見表1。

表1聲波感測器的分類

分 類	原 理	傳 感 器	構 成
電磁變換	動電型	動圈式麥克風 扁型麥克風 動圈式拾音器	線圈和磁鐵
	電磁型	電磁型麥克風(助聽器) 電磁型拾音器 磁記錄再生磁頭	磁鐵和線圈 高導磁率合金 或鐵氧體和線圈
	磁致伸縮型	水中受波器 特殊麥克風	鎳和線圈 鐵氧體和線圈
靜電變換	靜電型	電容式麥克風 駐極體麥克風 靜電型拾音器	電容器和電源 駐極體
	壓電型	麥克風 石英水聲換能器	羅息鹽，石英， 壓電高分子(PVDF)
	電致伸縮型	麥克風 水聲換能器 壓電雙晶片型拾音器	鈦酸鋇（BaTiO3） 鋯鈦酸鉛（PZT）
電阻變換	接觸阻抗型	電話用碳粒送話器	炭粉和電源
	阻抗變換型	電阻絲應變型麥克風 半導體應變變換器	電阻絲應變計和電源 半導體應變計和電源
光電變換	相位變化型	干涉型聲感測器 DAD再生聲感測器	光源、光纖和光檢測器 雷射光源和光檢測器
	光量變化型	光量變化型聲感測器	光源、光纖和光檢測器

電阻變換型聲波感測器

按照轉換原理將這類感測器分為阻抗變換和接觸阻抗型兩種。阻抗變換型聲波感測器是由電阻絲應變片或半導體應變片貼上在感應聲壓作用的膜片上構成的。當聲壓作用在膜片上時，膜片產生形變使應變片的阻抗發生變化，檢測電路會輸出電壓信號從而完成聲—電的轉換。接觸阻抗型聲波感測器的一個典型實例是碳粒式送話器，其結構如圖1所示，當聲波經空氣傳播至膜片時，膜片產生振動，在膜片和電極之間碳粒的接觸電阻發生變化，從而調製通過送話器的電流，該電流經變壓器耦合至放大器放大後輸出。如OJK-2型接觸式抗噪聲送話器：頻率範圍為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

圖1碳粒式送話器的工作原理圖

靜電變換型聲波感測器

壓電聲波感測器

利用壓電晶體的壓電效應可製成壓電聲波感測器，其結構如圖2所示，其中壓電晶體的一個極面與膜片相連線。當聲壓作用在膜片上使其振動時，膜片帶動壓電晶體產生機械振動，使得壓電晶體產生隨聲壓大小變化而變化的電壓, 從而完成聲—電的轉換。這種感測器用在空氣中測量聲音時稱為話筒，大多限制在可聽頻帶範圍（20Hz～20KHz）；進而拓展研製成水聲器件、微音器和噪聲計等。

圖2 壓電感測器的結構圖

圖2 壓電感測器的結構圖

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。水中的音響技術涉及深度檢測、魚群探測、海流檢測及各種噪聲檢測等。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；由於壓電元件呈電容性，加長輸出電纜效果不理想，因此在水聽器的元件之後配置場效應管，進行阻抗變換以便得到電壓輸出。由於使用於海中等特殊環境，因此，要求具有防水性和耐壓性。目前生產有SQ52、SQ42、SQ31等型號的寬頻水聽器，SQ48、SQ01、SQ03等型號的一般性水聽器，SQ05、SQ06、SQ34等型號的地震及拖拽線列陣水聽器以及SQ09、SQ13傳送/接收水聽器。其中SQ48水聽器的探頭結構採用了小型球體，能提供很寬的頻率範圍和全向性的反應特性，使得它在水下100kHz的聲音測量和校準都非常理想，還帶有一個集成的低噪音前置放大器，在沒有扭曲的情況下，能驅動很長的線纜。其電壓靈敏度為-165.0±1.0dBV，工作深度為水下3500m，頻率範圍為25Hz～100000Hz。

圖3 水聽器頭部斷面

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，屬於低頻微音器，下限頻率取決於元件內部的電容和電阻，在理論上可達到0.001Hz，但由於微音器的漏泄通路，一般僅達到1Hz，可測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，壓電型感測器受溫度變化影響時熱電效應會產生噪聲，故電荷放大器中應內裝高通濾波器。圖5為壓電微音器在噪聲計上的套用電路。噪聲計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源跟隨器電路。在成對的FET中外加共同的門/源間電壓，FET的對稱特性使放大器失真小。增大門電阻R₄可獲得高輸入阻抗，有利於低噪聲放大器。

圖4 壓電微音器電路圖

圖5 壓電微音器的噪聲套用

圖4 壓電微音器電路圖 圖5 壓電微音器的噪聲套用

靜電聲波感測器

電容式送話器

圖6為電容式送話器的結構示意圖，由金屬膜片、外殼及固定電極等組成。膜片作為一片質輕且彈性好的電極，與固定電極組成一個間距很小的可變電容器。當膜片在聲波作用下振動時，與固定電極間的距離發生變化，從而引起電容量的變化。如果在感測器的兩極間串接負載電阻R_L和直流電流極化電壓E，在電容量隨聲波的振動變化時， R_L的兩端就會產生交變電壓。電容式聲波感測器的輸出阻抗呈容性，由於其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保證低頻時的靈敏度必須有一個輸入阻抗很大的變換器與其相連，經阻抗變換後，再由放大器進行放大。

圖6 電容式送話器結構示意圖

圖6 電容式送話器結構示意圖

駐極體電容話筒(ECM)

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

在金屬電極上的感應電荷σ₂為：　（2）

式中，分別為空氣和駐極體的電介係數。

圖7 駐極體話筒的結構示意圖

圖7 駐極體話筒的結構示意圖

當聲波引起駐極體薄膜振動而產生位移時，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生變化，而駐極體上的電荷數始終保持恆定（Q=CU，C（F）為圖7中系統的合成電容），則必然引起電容器兩端電壓的變化，從而輸出電信號實現聲-電的變換。由於駐極式話筒體積小、重量輕，實際電容器的電容量很小，輸出電信號極為微小，輸出阻抗極高，可達數百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連線，通常用一個場效應管和一個二極體複合組成專用的FET即阻抗變換器，如圖8中虛框所示，變換後輸出阻抗小於2K，多用於電視講話節目方面。圖8為攝像機內型駐極體話筒的4種連線方式，對應的話筒引出端有3端式與2端式兩種，圖 (a)、(c)為兩端式話筒的連線線路圖，(b)、(d)為三端式話筒的連線線路圖。圖中R是場效應管的負載電阻，其取值直接關係到話筒的直流偏一置，對話筒的靈敏度等工作參數有較大的影響。圖（a）為二端式測試示意圖，只需兩根引出線；將FET場效應管接成源極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效應管接成源極輸出式，類似晶體三極體的射極輸出電路，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，信號由源極經電容C輸出；源極輸出的電路比較穩定、動態範圍大，但輸出信號比漏極輸出小；這種目前市場上較為少見。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，即要保證內置場效應管始終處於放大狀態。工作電壓為1.5～12V 之間，工作電流為0.1～1mA。在要求動態範圍較大的場合應選用靈敏度（單位是伏/帕）低一些(即紅點、黃點)，這樣錄製的節目背景噪聲較小、信噪比較高，聲音聽起來比較乾淨、清晰，但對電路的增益相對就要求高的些；在簡易系統中可選用靈敏度高一點的產品，以減輕後級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) ，可安裝在攝像機及攝錄一體機上使用。

圖8 駐極體話筒的測試圖

圖8 駐極體話筒的測試圖

電磁變換型聲波感測器

電磁變換型聲波感測器由電動式芯子和支架構成，有動磁式（MM型）、動鐵式（MI型）、磁感應式（IM型）和可變磁阻式等。大多數磁性材料廣泛使用坡莫合金、鐵矽鋁磁合金和珀明德鐵鈷系高導磁合金。

電磁拾音器

電磁拾音器是MM型，其電動式芯子在其線圈中都包含有磁芯，可檢測錄音機V形溝紋里記錄的上下、左右的振動。國外大多生產MM型芯子，其結構如圖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）產生輸出電壓，從線圈a、b端子即可獲得輸出結果。用於引擎測速的電磁拾音器有EM81/EM121，當一鐵磁性物體(常為發電機起動齒輪)經過電磁拾音器時，使拾音器內感應出電壓信號，用其頻率能準確地測量出發動機的速度。將此電壓的頻率（轉速信息）作為速度控制信號提供給引擎調速器，使調速器控制並穩定引擎轉速。

圖9 MM型拾音器芯子

圖10 動圈式話筒結構

圖9 MM型拾音器芯子 圖10 動圈式話筒結構

動圈式話筒

圖10示出動圈式話筒的結構。由磁鐵和軟鐵組成磁路，磁場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膜片，其上帶有線圈，線圈套在磁鐵芯柱上位於強磁場中。當振動膜片受聲波作用時，帶動線圈切割磁力線，產生感應電動勢，從而將聲信號轉變為電信號輸出。因線圈的圈數很少，其輸出端還接有升壓變壓器以提高輸出電壓。動圈式話筒的產品很多，如德國的E602、E904、E935和MD421，奧地利的D3700、D3800、D440和D770，美國的RS45、RS35、 RS25、8900CN、8800CN、8700CN、PG57-XLR 、PG58-XLR 和PG48CN-L等等。

光電變換型聲波感測器

心音導管尖端式感測器

圖11示出心音導管尖端式感測器，其壓力檢測元件（即振動片）配置在心音導管端部，探頭比較小。它是用光導纖維束來傳輸光，將端部壓力元件的位移由振動片反射回來，從而引起光量的變化，然後由光敏元件檢測光量的變化以讀出壓力值。用於測定-50～200mmHg的血壓（誤差±2mmHg）、檢測20Hz～4KHz的心音和心雜音的發聲部位以診斷疾病。壓力檢測元件還可使用電磁式、應變片式、壓電陶瓷式等。

圖11 光導纖維導管尖端式血壓計

圖11 光導纖維導管尖端式血壓計

光纖水聽器

光纖水聽器具有靈敏度高、頻帶回響寬、抗電磁干擾、耐惡劣環境、結構輕巧、易於遙測和構成大規模陣列等特點，尤其具有足夠高的聲壓靈敏度，比壓電陶瓷水聽器高3個數量級。根據聲波調製方式的原理不同，可分為三大類型：調相型 (主要指干涉型)、調幅型和偏振型光纖水聽器。圖12為基於Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。由雷射經3dB光纖耦合器分為兩路：一路構成光纖干涉儀的感測臂即信號臂，接受聲波的調製，另一路構成參考臂，提供參考相位。兩束波經另一個耦合器合束髮生干涉，干涉光信號經光電探測器轉換為電信號，解調信號處理就可以拾取聲波的信息。

圖12 基於光纖干涉儀的光纖水聽器原理示意圖

圖12 光纖水聽器原理示意圖

另外，光強調製型光纖水聽器是利用光纖微彎損耗導致光功率的變化和光纖中傳輸光強被聲波調製的原理製備的；偏振型光纖水聽器或光纖布拉格光柵感測器是利用光纖光柵作為基本感測元件，用水聲聲壓對反射信號光波長的調製原理製備的，通過實時檢測中心反射波長偏移情況來獲得聲壓變化的信息。它們均可用於採集地震波信號，經過信號處理可以得到待測區域的資源分布信息；用於勘探海洋時布放在海底，可以研究海洋環境中的聲傳播、海洋噪聲、混響、海底聲學特性以及目標聲學特性等，也可以製作魚探儀用於海洋捕撈等作業。進而，其聲納系統可用於岸基警戒系統、潛艇或水面艦艇的拖曳系統；水下聲系統還可以通過記錄海洋生物發出的聲音，以研究海洋生物以及實現對海洋環境的監測等。一款HFO-660型光纖水聽器套用於石油勘探，也可布放到高溫高壓的勘測井中或埋到沙漠中的沙子底下用於陸地勘探領域。