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现代声波传感器及应用

2017-07-25张伯淳

中国科技纵横 2017年12期
关键词:声波

张伯淳

摘 要:声波,是诸多波中的一种,在我们平时交流、沟通时,声波就是传播的物质。说话的时候或是发出声音的时候,喉咙要振动发声,这样声波就会依靠各种介质向四面八方传播,使别人能够听见。而声波传感器,就是一种将声波信号转换成电信号的装置。各式各样的声波传感器都能够完成不同的工作,它们能转换成电信号,就可以完成远程传播,应用到现在的媒体、广播、电话等物品上。声波传感器类别繁多,功能不尽相同。现在人们要研究新型传感器,以简化、缩小为目的,现在的语音识别技术,也逐渐成为热门研究对象。本文主要介绍了声波传感器的分类,简单描述各自的原理以及概述一下较为重要的两种传感器的功能,并对未来声波传感器的发展做出了一定的展望。

关键词:声波;声波传感器;新型传感器

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)12-0033-02

1 声波及其物理性质

1.1 声波的物理指标

一般声波指的是机械振动引起周围弹性介质中质点的振动,由近到远的向四面八方传播。在开阔的空气中,声波的传播是逐渐扩散的,能产生声音的物体称为声源。自然界中有许多的声源,例如音叉、发声器官、乐器等,自然声源有风暴、海浪、地震等许许多多。声波的传播需要介质,传递性良好的介质利于传播,如空气、水等。真空状态下,没有介质,因此声音不能传播。

声波的物理性质很多,主要有频率,声压,声强,声功率等。

(1)频率。声波的频率根据频率的不同,声音可分为次声波,可闻声波,超声波等。人耳能听到的声音的频率范围是:16HZ-20KHZ。次声波的频率范围是小于等于16HZ。

(2)声压。物理学上把一定体积的物质称为一个体积元,若一个体积元的物质受声波扰动后,压强由变成,则声扰后产生的逾量压强就是声压,在自然界中压强是在不断变化的。所以声压是空间和时间的函数,即。由于通过声压可以求得其它物理量,所以声压成为普遍描述声波性质的物理量。声压的单位是帕(Pa)或微巴,一微巴=0.1Pa。

(3)声阻抗率。声阻抗率是声场中某位置的声压与该位置质点速度的比值

一般情况下,声阻抗率的值为复数,对平面声波面言,。

(4)声功率与声强。将单位时间通过垂直于声传播方向面积的平均声能量称为平均声功率,单位是。将单位时间通过垂直于声传播方向的单位面积的平均声能量称为声强。当声波传播到原来静止的媒质中时,质点在平衡位置附近来回振动。让原来静止的媒质有了功能,而媒质从声扰动处得到的能量,还包括媒质自身产生了压缩和膨胀使自身得到的能量声扰动传播走,声能量也立刻转移。

1.2 声波的扩散

声波在传播过程中遇到障碍物时,一部分会反射回来,一部分会透射过去。声波的反射和透射取决于媒质的阻抗作用,声波的反射和折射满足斯奈尔声波反射与折射定律,定律内容为:设入射角为,反射角为,折射角为,则有:

声波在介质中传播时,随着距离的增加,能量逐渐衰减。声波的衰减规律为:

是平面波在处的声压和声强,为平面波在处的声压和声强,为衰减系数。声波能量的衰减取决于声波的扩散,散射和吸收,它的衰减系数能限制声波的探测厚度和传播距离,随着声波传播距离的增加,单位面积上的声能减弱。一般的媒质里,声波随距离衰减时,介质会吸收声能并转换为热能而消散掉,这种因介质的吸收而导致声波的耗散称为声波的吸收,引起声波吸收的原因很多。在普通的媒质里,声波吸收的主要原因是灰尘粒子对媒质做相对运动的摩擦损耗和声波对粒子的散射引起的附加能量,衰减系数因介质材料的性质而异,晶粒越粗,衰减越大。声波的扩散形象化表示如图1所示。

1.3 声波的分类

声波共分为三类:纵波、横波和表面波。纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波,纵波可以在固体、液体、气体中传播。横波是质点振动方向垂直于传播方向的波,只可以在固体中传播。表面波:质点的振动在横波纵波之间,沿表面传播,表面波质点振动的轨迹是椭圆形。

2 常见可闻声声波传感器原理

声波传感器是在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置。现在传感器是声波传感技术的主体。声波传感器主要分以下几类:电磁变换型,静电变换型,电阻变换型,光电变换型,而这其中电阻变换型传感器和电磁变换型传感器最为常见。

(1)电阻变换型声波传感器。

电阻变换型传感器按原理分为阻抗变换和接触阻抗两种,阻抗变换型声波传感器是由电阻丝应变片或者半導体应变片粘贴在感应声压作用的膜片上构成的。声压作用在膜片上时,膜片会发生形变,应变片的阻抗就会变化,输出电压信号以此完成声信号转换电信号。而接触阻抗型声波传感器的一个实例是炭粒式送话器。如图所示,声压作用在膜片上时,膜片上产生振动膜片和电极之间炭粒的接触电阻发生变化。这样,通过送话器的电流便会变化,电流经变压器耦合后,再经放大器放大后输出。

(2)电磁变换型声波传感器。

电磁变换型声波传感器分为动磁式,动铁式,磁感应式和可变磁阻式,电磁材料一般用导磁度高的导磁合金,电磁变换型传感器的实例是动圈式话筒,如图所示,动圈式话筒由磁铁和软铁组成磁路,磁场就在磁铁芯柱与软铁形成的气隙中,软铁的前部装有振动膜片,其上带有线圈,线圈套在磁铁芯柱上,位于强磁场中,当振动膜片受声波的作用后,带动线圈切割磁力线,产生感应电动势,实现了声信号到电信号的转换。

3 超声波传感器

3.1 超声波

超声波是频率超过20KHZ的声波,它是不可闻的声波。超声波的波长短、衍射小,方向性好,频率高,具有较强的穿透能力,反射性能良好,探测的距离远,定位精度高,检测灵敏度高。超声波的量非常巨大,是声波的一百万倍左右,因此,超声波可以入射到很多材料中,探测丰富的信息,而超声波传感器,即是产生和接收超声波的装置,一般称之为超声波换能器。超声波换能器分为压电式换能器,磁致伸缩换能器,电磁式换能器等。

3.2 超声波传感器

超声波测厚的原理即脉冲回波法检测厚度。超声波换能器与试件表面接触,主控制器产生一定频率的脉冲信号,送住发射电路来激发压电探头产生重复的超声波脉冲,脉冲波传到被测工件的另一面被反弹回来,被同一探头接收。若超声波在工件中的声速为,测得脉冲波从发射到接收的时间为,即

超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸縮)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。如图2是一种超声波传感器的结构图。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测.而实际使用中,用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。振动用压电陶瓷制成,加上共振喇叭可提高灵敏度,当振子处于发射状态时,外加共振频率的电压能产生超声波,当振子处于接收状态时,能灵敏地侦测共振频率的超声波,它可用于电视遥控和防盗等装置。超声波的应用电路很多,以发射电路和接收电路尤为重要。

超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。

4 次声波传感器

4.1 次声波

次声波又称亚声波,频率范围在10-4~16HZ之间。次声波通常产生于核爆炸,火箭起飞,飞机起降等事件中,还有一种次声波声源是次声发生器,它具有较大的功率。次声波的频率低,传播时有其特殊性。次声波的传播速度快,在空气当中每秒三百多米,在水中每秒可达到1500米,次声波的传播距离远。在传播过程中衰减很小,在空气中传播几千千米时,衰减不过万分之一;次声波的穿透力强,一般的可闻声波穿不过一堵墙,而次声波能穿透钢筋混凝土。

4.2 次声波传感器

次声波传感器是接收次声波的传声器,次声波的波长太小数量级也只有几十到几百Pa,所以必须把其机械位移转化为电信号来分析次声波的物理特性,常见的次声传感器有电容式次声波传感器,动圈式次声波传感器,波纹管膜盒型次声波传感器,光纤式次声波传感器等。

如图3所示为电容式次声波传感器,主要由前腔声阻R1、前腔声顺C1、带膜片的支撑环,膜片声顺Cs、极板、均压管声阻R2,后声顺C2,绝缘板等构成,膜片与靠得很近的刚性后极板构成一个平行板电容器,电容量为C0,声波作用时膜片振动,使电容变化△C,进行软化成电压信号输出。电容式次声波传感器体积小,频带宽,输出电压大,灵敏度高,频率响应好,长期稳定性高,可以直接与记录器或信号转换器连接,它的频度响应为劲度控制,其系统的定频限取决于系统的精度,在第一共振频率以下可以有平直的响应,其下限频率可以做的很低,电容的精度不受外界影响改变弹性。

5 新型声波传感器及未来发展

新型声波传感器不断出现,而人工智能也在研究之中,听觉传感器即属于人工智能装置,主要利用自然语言信息处理技术来实现人机对话,还有微波谐振器,高频率和更低频率的声波传感器等,应用范围越来越广。声波传感器的未来发展方向主要是:研究小型化、集成化、自动化的传感器装置及阵列传感器,进一步提高其灵密度、稳定性,并不断拓展其适用的环境,最终发展到有创造力的智能化传感器。

参考文献

[1]王雪文,张志勇.传感器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004(2):15-18.

[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2009(3):56-59.

[3]张洪润,孙悦,张亚凡.传感器技术与应用教程.北京:清华大学出版社,2008(8):209-218.

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