在本教程中，我们将学习声音换能器。两种常见的声音换能器是麦克风和扩音器。
大纲
介绍
声音是声波的一个广义术语，声波是一类在绝热过程中通过压缩和减压传播的纵波。声波的频率范围在1赫兹到几万赫兹之间。在这个巨大的范围内，人类可以听到20赫兹到20 K赫兹之间的声音。
音频或声音换能器有两种类型:输入传感器或声音到电子换能器和输出执行器或声音到电子换能器。输入传感器的例子是麦克风，输出驱动器是扬声器。
声音换能器能探测并传播声波。如果声波的频率很低，则称之为次声。如果声波的频率很高，那么它们就被称为超声波。
是什么声音吗?
声音和振动是相互联系的，因为声音与机械振动有关。许多声音是由固体或气体的振动引起的。根据ANSI，声音被定义为“压力、应力等的振荡，在具有内力的介质中传播或这种振荡的叠加。”声波是振动引起的波形。
这种波形在任何受声波影响的材料中都会产生相同的振动。为了传播声波，需要一种可以振动的介质。振动的物体或物质会压缩周围的空气分子，使其变得稀薄。声波在真空中是不传播的。
当声音传播时，它有三个重要的波参数:速度或速度、波长和频率。这些特性类似于电波形的特性。声音的频率和波形是由声音的来源或引起声音的振动的频率和波形决定的。
声音的速度和波长取决于传播声波的介质。速度、波长、频率三个参数之间的关系如下图所示。
频率(f) =速度(m/s) /波长(λ)
频率的单位是赫兹(Hz)。
图像资源链接:electronics-西汉姆必威tutorials.ws / io / io46.gif
在给定的材料中，声音的速度取决于材料的密度和弹性。因此，声速在固体中较高，在高压气体中较低。
声波的客观测量利用接收面强度作为每平方米声能瓦数测量。耳朵具有非线性响应，灵敏度随声音频率的变化而变化。
人耳能探测到声音的频率范围在20赫兹至20千赫之间。耳的响应在2khz范围内最大。
什么是声音换能器?
声音换能器是一种可以将声音信号转换为电信号或电信号转换为声音信号的设备。在前一种情况下，它们被称为输入声音换能器，麦克风就是这种情况的一个例子。
在后一种情况下，它们被称为输出声音换能器，扬声器就是一个例子。
传声器(输入声换能器)
音频或声音到电能的换能器是麦克风或简称为麦克风。麦克风产生与作用在它的膜片上的声波成比例的电子模拟信号。麦克风是根据它们使用的电子转换器的类型来分类的。除了换能器外，传声器还使用声学过滤器和通道，其形状和尺寸会修改整个系统的响应。
麦克风的特性是电的和声学的。传声器的灵敏度表示为每单位声波强度的电输出毫伏。传声器的阻抗具有相当重要的意义。具有高阻抗的传声器具有高电输出，而具有低阻抗的传声器具有低输出。高阻抗使得麦克风对交流声的拾取很敏感。
麦克风的方向性也是一个重要的因素。如果麦克风是用来感知声波的压力的，那么它是全方位的，也就是说它可以接收来自任何方向的声音。如果麦克风对声波的速度和方向作出反应，它就是有方向性的。
声换能器的类型不一定决定其工作原理如压力或速度，但麦克风的结构是最重要的因素。
一些最常见的麦克风类型有:碳传声器、动铁传声器、动圈传声器、带状传声器、压电传声器和驻极体电容传声器。
碳麦克风
碳传声器是第一种被开发用于电话的传声器。现在它们被驻极体电容麦克风所取代。碳传声器使用在膜片和背板之间的碳颗粒。
当颗粒被压缩时，隔膜和后板之间的阻力显著下降。振膜的振动是由声波入射到振膜上引起的，它可以转化为颗粒阻力的变化。麦克风需要一个外部电源，因为它不产生电压。
碳传声器的主要和唯一的优点是，它产生的输出是巨大的麦克风标准。
缺点包括线性度差，在音频范围内造成多重共振的不良结构，以及即使在没有声音的情况下颗粒的电阻也会改变而产生的高噪声水平。
动铁式话筒
移动的铁质传声器也称为可变磁阻传声器。移动铁制麦克风使用强力磁铁。磁路包含一个由软铁制成的电枢，电枢又连接到一个膜片上。当电枢移动时，电路的磁阻发生变化，这反过来改变电路中的总磁通量。这种麦克风的磁路使仪器变重。
动圈式传声器或动力传声器
动圈式(动态)传声器使用一个恒定的磁通磁路。在这个电路中，电输出是通过移动电路中连接在膜片上的线圈而产生的。整个装置是胶囊形式的这使得它是一个压力操作的麦克风而不是速度操作的。
线圈移动响应运动的隔膜，因为声波击中隔膜。通过应用法拉第电磁感应定律，由于线圈在磁场中的运动，一个电压在线圈中感应。最大输出发生时，线圈达到最大速度之间的峰值声波，所以输出是900与声音不相。
动态麦克风的内部视图如下所示。
线圈的运动范围很小，因为线圈的尺寸很小。因此，动圈式传声器的线性度很好。由于线圈的低阻抗，输出相当低，因此需要信号的放大。
在移动线圈麦克风的线圈的电感是更少的，因此他们不太容易接受交流声从市电拾取。动圈式传声器的结构类似于反向扬声器的结构。
带麦克风
带式传声器的工作原理是由动圈式传声器推导而来的，其变化是线圈变成了一条导电带。信号是从缎带的两端发出的。
使用强磁场，使剪切带在最大可能磁通上的运动成为可能。这将产生一个峰值为90的输出0与声波的相位不一致。
色带麦克风的内部视图如下所示。
带式传声器是一种速度传声器。带式麦克风用于方向性反应很重要的场合。该麦克风主要应用于噪声环境下的语音解说。
带式传声器的线性度非常好，它的结构使它不可避免地成为一个低输出器件。为了提高带式传声器的电压电平和阻抗电平，带式传声器通常配有变压器。质量好的带子麦克风是昂贵的商品。这个麦克风的方向性适合立体声广播。
压电式麦克风
压电式麦克风比其他类型的麦克风的优点是，它不局限于在空气中使用，但可以绑定到固体，也可以浸泡在不导电的液体中。压电换能器可用于超声频率，有些用于高MHz区域。
压电换能器由晶体材料组成。当晶体受到声波的拉伸时，晶体中的离子以不对称的方式位移。最初，罗谢尔盐晶体被用作压电麦克风的晶体材料，该晶体耦合到一个膜片上。
输出电压和阻抗较高，但线性度较差。现在，人造晶体的使用超过了天然晶体。钛酸钡是一种合成晶体，其频率可达数百千赫。
压电式传声器的图形如下图所示。
电容传声器
电容式麦克风由两个表面组成:一个是导电膜片，另一个是背板，两表面之间的电荷是固定的。当声波碰到膜片时，振动会引起电容的变化。
由于电荷是固定的，电容的变化引起电压波动。输出量取决于板间的间距。当表面之间的间距较小时，给定振幅的声音输出较大。
电容器麦克风的结构如下图所示。
电容式传声器是一种压力操作装置。为了提供固定的电荷，需要电压供应。这个电压叫做极化电压。电容器麦克风在工作中提供线性，也提供非常好的音频信号。
为了避免极化电压，使用了驻极体。驻极体是一种带永久性电荷的绝缘材料。它是静电磁体的等效物。在驻极体电容传声器中，电容器的一层是驻极体板，另一层是膜片。由于驻极体提供固定电荷，因此不需要电压供应。
扬声器(输出声音转换器)
除非有反方向的换能器，否则很少使用麦克风。像扬声器、蜂鸣器和喇叭这样的换能器是输出声音执行器，可以从输入的电信号中产生声音。声音执行器的功能是将电信号转换成声波，这与麦克风的原始输入信号非常相似。
耳机是一种简单的输出声换能器，它的使用比麦克风要早得多。在电报中，耳机与莫尔斯密钥机一起使用。在麦克风发展之后，输入和输出声换能器的结合导致了许多发明，包括电话。耳机的任务很简单，因为它放在耳朵附近，功率要求也非常少，一般在几毫瓦的顺序。
由于需要的输出较少，耳机使用小的膜片。与耳机不同的是，扩音器不是压在耳朵上，而是将声波发射到太空中。因此，扬声器的结构、原理和功率要求略有不同。
扩音器有各种尺寸、形状和频率范围。扬声器系统的换能器被称为压力单元，因为它将复杂的电信号转换为气压。为了实现这一点，扬声器单元由一个将输入的电波转换成振动的电机单元和一个移动足够空气的膜片组成，以使振动效果可以被听到。
对于每一种类型的麦克风，都有一个相应的扬声器。一些常见的扬声器类型有:动铁式、动圈式、压电式、等动力式和静电式。
动圈式扬声器或动态扬声器
大多数扬声器和耳机都采用动圈原理。动圈式扬声器也称为动态扬声器。动圈式扬声器的工作原理与动圈式传声器的工作原理恰恰相反。
它由一个叫做音圈的细线线圈组成，音圈悬浮在一个非常强的磁场中。这个线圈连接到一个像纸或聚脂圆锥一样的膜片上。隔膜的边缘悬挂在一个金属框架上。
动圈式扬声器的内部结构如下所示。
当输入的电信号通过线圈时，就会产生一个电磁场。磁场的强度由通过线圈的电流决定。驱动放大器的音量控制设置决定了流经音圈的电流。永磁体产生的磁场与电磁场产生的电磁力相对立。
这导致线圈向一个或另一个方向移动，这是由南北两极之间的相互作用决定的。膜片，这是附到线圈，与线圈的串联移动，这在它周围的空气中引起扰动。这些干扰产生一种声音。声音的响度是由锥形或隔膜移动的速度决定的。
开扬声器
人耳能听到的频率范围在20赫兹至20千赫之间。现代的扬声器、耳机、耳机和其他音频转换器都是在这个频率范围内工作的。
然而，对于高保真(Hi - Fi)型音频系统，声音的响应被分解成更小的子频率。这提高了扬声器的整体效率和音质。低频单元称为低音单元，高频单元称为高音单元。
用于中频的单元被简单地称为中频单元。
下面提到了广义频率范围及其术语。
亚低音- 10hz至100hz
低音- 20赫兹至3 kHz
中档- 1千赫至10千赫
高音- 3 kHz至30 kHz
在多扬声器高保真系统中，有独立的低音扬声器、中音扬声器和高音扬声器，通过一个主动或被动交叉网络来精确地分割和复制所有子扬声器的音频信号。
一个驱动扬声器的简单电路如下图所示。
晶体管采用发射极跟随器结构。来自微控制器的PWM信号为晶体管基座提供一个交流信号。发射极跟随器配置通过放大电流给扬声器交流信号。二极管起滤波器的作用。
一个多扬声器的设计如下所示。
有三种类型的驱动:低音驱动，中频驱动和高音驱动。一个简单的音频放大电路如下图所示。
基于所使用的滤波电路，放大器可以用来驱动低音或中音或高音扬声器。
下面介绍一些其他类型的输出传感器。
压电喇叭
一般来说，高音是用压电原理制造的。膜片由压电塑料片制成。当一个电压被施加在膜片的表面之间时，它会根据信号收缩和膨胀。通过将横膈膜塑造成球体表面的一部分，收缩和扩张可以转化为运动，将移动空气。
静电扬声器
静电扬声器由放置在两块导电板之间的导电膜片组成。导电板分别带正电荷和负电荷。当连接到音频信号时，膜片在正电荷和负电荷之间切换。膜片被拉向相反的电荷板取决于它的电荷。这导致它前面的空气振动。
