電聲換能器

電聲換能器是指用於接收電(或聲)的輸入信號，並轉換為聲(或電)輸出信號的器件,使輸人信號的某些所需特徵在輸出信號中反映出來。根據工作頻段或使用條件的不同,有電聲換能器、超聲換能器和水聲換能器等類別和名稱。通常,電聲換能器是指工作在音頻範圍內的換能器，如揚聲器,傳聲器和耳機等。

基本介紹

• 中文名：電聲換能器
• 外文名：electroacoustic transducer
• 功能：電信號轉換成機械振動
• 類型：電動換能器、電磁換能器等

轉換過程

在絕大多數的電聲換能器中，能量的轉換過程是：對於將電能轉換成聲能的換能器，是將電信號轉換成機械振動，然後由機械振動產生聲波；對於將聲能轉換成電能的換能器，則是將聲信號轉換成機械振動後再轉換成電信號。

類型

按能量轉換的機理來分，主要有下列5種。①電動換能器:利用在恆磁場中運動導體的電磁感應原理而製成的換能器。②電磁換能器：主要由固定於磁路中的導線圈和可振動的部分（如膜片、銜鐵）所組成。交變電流通過線圈時產生交變磁通量，使磁路可振動部分受力發生變化而振動。反之，磁路可動部分振動時,使磁路的磁阻發生變化,於是通過線圈的磁通也相應變化而線上圈內感生電動勢。單向極化磁通量使換能器工作有與信號成正比的線性部分。③靜電換能器：這種換能器的結構基本上是個電容器，固定的金屬極板與可振動的導電膜片組成電容器的兩個極板，並在兩極板間加恆定的極化電壓使電容器帶電。當膜片振動時電容量發生變化，兩極板間的電壓也隨之改變。反之，當兩極板間的電壓發生變化時,極板間的靜電力發生變化,從而使膜片振動。④壓電換能器：利用具有壓電效應的材料製成。壓電效應較強的天然晶體有石英、酒石酸鉀鈉等。壓電換能器廣泛使用鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷材料。從發展趨勢看，高分子壓電材料(如聚偏氟乙烯)是製作壓電換能器的一種新型材料。⑤磁致伸縮換能器：利用具有磁致伸縮特性的鐵磁材料製成。在磁場中，這類材料由於振動產生形變而使磁通量改變，從而使繞在其上面的線圈產生電動勢。它的逆過程是磁通量發生變化使鐵磁材料形變而產生應力的變化。這種換能器常用作共振換能器，以提高效率。常用的磁致伸縮材料有鎳及其合金或鎳鐵氧體。

以上所述電機械換能器的能量轉換是可逆的。還有一類換能器是不可逆的，其中套用最多的是變阻換能器，如電話中的碳粒送話器。在半導體PN結附近施加局部壓力的變化，會引起流過PN結電流的變化。利用這種原理做成的換能器稱為壓電結型換能器。通常是使壓力通過細針加在PN結上。這樣，可以獲得很靈敏的換能作用。但它因結構上的困難還只用於應變計。

雷射換能器和光導纖維換能器是新出現的兩種換能器。它們是套用光干涉儀的原理或光強度調製的方法製成的。有一種光調製的方法是利用聲光作用，使光束通過聲光作用元件，光束在聲場的作用下經受調製；另有一種方法是讓光束通過光導纖維射到振動靶上，使反射光束受到調製，其強度與振動靶的位移成正比，受調製的光束再轉換成電輸出。

常用

常用電聲換能器有送話器和受話器、揚聲器、傳聲器、超聲換能器和水聲換能器等。

送話器和受話器

專供語言通信用的電聲換能器。在電話機中大量套用碳粒送話器，其結構是接收聲波的膜片與碳粒盒中的碳粒相接觸，膜片受聲波作用發生振動，使碳粒間的壓力發生變化而改變碳粒間的電阻。碳粒多採用提純過的無煙煤。碳粒送話器結構簡單、價格低廉，並有較大的電輸出。電話機中常用受話器是電磁換能器，主要由振膜，與振膜相連線的銜鐵、磁鐵、極靴和線圈組成。其他類型的換能器，如電動送話器、電磁送話器、壓電送話器和電動受話器也有套用。

揚聲器

主要用在可聽聲頻率範圍內，它將電信號轉換成聲信號，並把它輻射到周圍空間。按聲輻射的方式，揚聲器可分為直接輻射式和喇叭式兩種。直接輻射式電動揚聲器由處在磁路系統中稱為音圈的導體線圈及其支撐，以及與音圈相連線的錐形或球項形的振膜組成。信號電流流過音圈時,音圈受力而振動,並推動振膜振動而輻射聲波。這種揚聲器結構緊湊、性能好，仍在大量套用。在揚聲器上加上喇叭即構成喇叭式揚聲器，可以提高揚聲器的效率，並且具有較強的聲輻射指向性。平板揚聲器（用複合材料做成平板振膜）是一種新型的揚聲器。對於高音質的揚聲器系統，常把所要放聲的寬頻帶分成二個或三個頻段，分別用幾隻揚聲器發聲，則稱為揚聲器組合。但在輸入端必須有分割網路，把電信號按頻段分別送給各揚聲器。一般採用直接輻射式電動揚聲器輻射中頻和低頻聲，但也有低頻揚聲器加喇叭。高頻聲的輻射也多採用電動式揚聲器，高頻揚聲器也採用靜電揚聲器或壓電揚聲器。

將電信號直接轉換成空氣振動發聲的揚聲器是離子聲揚聲器，由一個石英做的容器與輻射聲波的喇叭相連線。石英容器中有電極，在其上加上幾十兆赫的射頻高電壓，使其中空氣電離，電信號以振幅調製的方式調製到射頻電壓上。由於離子放電的變化，石英容器中空氣的溫度和壓強隨信號而發生變化，因而產生聲波通過喇叭而輻射出來。這種揚聲器沒有機械振動系統，所以性能良好，但構造和使用都比較複雜。

傳聲器

主要用在可聽聲頻頻率範圍內，它將聲信號轉變成電信號。在一般擴聲系統中，大多採用電動式傳聲器。在廣播、錄聲技術中所用的高質量傳聲器，有電動動圈式傳聲器、帶式傳聲器和電容傳聲器。帶式傳聲器屬電動類型、薄而輕的金屬帶置於恆磁系統的磁場中。金屬帶既是可通信號電流的導體，又是接收聲波的器件。由於鋁帶兩面均受聲波作用，總受力與聲波在這兩方面的聲壓之差有關。因此，這種類型的傳聲器稱為壓差傳聲器。膜片一面接收聲波的傳聲器，由於膜片受力與聲壓成正比，則統稱為壓強傳聲器。 　靜電換能類型的電容傳聲器，是現代使用最廣的高質量傳聲器。電容傳聲器的性能好而且穩定，也是用於聲學測量的標準傳聲器。另一種形式的電容傳聲器是駐極體傳聲器。駐極體材料使用聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等，以適當的方式極化後可在其表面上保持表面電荷。將極化過的駐極體膜作為電容傳聲器的振膜或放在固定極板上，可產生電場以代替一般電容傳聲器所需要的外加極化電壓。這樣，在構造和使用上都較為簡單。

超聲換能器

用於超音波範圍的電聲換能器，主要是壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷片可按用途做成各種形狀，如棒、片和圓環。片或薄殼形狀常用厚度方向的振動。利用共振現象可使換能器工作在振動系統的一個固有頻率上，以提高換能效率。超聲換能器也有用磁致伸縮材料的，一般是共振式，工作頻率可達幾萬赫。這種換能器堅固、可靠，其輻射聲功率可達 20瓦/厘米2或更大。在許多套用中，超聲換能器和變幅桿連結使用，以提高工作的效能。

水聲換能器

用於水下工作。其中接收水聲信號的換能器又稱為水聽器。壓電陶瓷是在現代水聲技術套用最廣的電聲換能器材料。磁致伸縮換能器也有採用。作為發射低頻水聲信號用的換能器，也有採用電動式的。用高分子壓電材料做成的水聽器和光導纖維水聽器也獲得了發展。水聲換能器在設計和結構上必須考慮在水中工作的特點，如減小水中空化作用所產生的空氣泡對水聲發射換能器工作的影響。對在深水中工作的換能器來說，還須採取一些措施，如充油或充水的液腔，以便保持換能器中靜水壓的平衡。在聲納中，常將換能器排列成陣，以便獲得所需的強指向性與大功率的聲輻射。