現代聲波傳感器及應用

張伯淳

摘 要：聲波，是諸多波中的一種，在我們平時交流、溝通時，聲波就是傳播的物質。說話的時候或是發出聲音的時候，喉嚨要振動發聲，這樣聲波就會依靠各種介質向四面八方傳播，使別人能夠聽見。而聲波傳感器，就是一種將聲波信號轉換成電信號的裝置。各式各樣的聲波傳感器都能夠完成不同的工作，它們能轉換成電信號，就可以完成遠程傳播，應用到現在的媒體、廣播、電話等物品上。聲波傳感器類別繁多，功能不盡相同。現在人們要研究新型傳感器，以簡化、縮小為目的，現在的語音識別技術，也逐漸成為熱門研究對象。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，并對未來聲波傳感器的發展做出了一定的展望。

關鍵詞：聲波；聲波傳感器；新型傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0033-02

1 聲波及其物理性質

1.1 聲波的物理指標

一般聲波指的是機械振動引起周圍彈性介質中質點的振動，由近到遠的向四面八方傳播。在開闊的空氣中，聲波的傳播是逐漸擴散的，能產生聲音的物體稱為聲源。自然界中有許多的聲源，例如音叉、發聲器官、樂器等，自然聲源有風暴、海浪、地震等許許多多。聲波的傳播需要介質，傳遞性良好的介質利于傳播，如空氣、水等。真空狀態下，沒有介質，因此聲音不能傳播。

聲波的物理性質很多，主要有頻率，聲壓，聲強，聲功率等。

（1）頻率。聲波的頻率根據頻率的不同，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。物理學上把一定體積的物質稱為一個體積元，若一個體積元的物質受聲波擾動后，壓強由變成，則聲擾后產生的逾量壓強就是聲壓，在自然界中壓強是在不斷變化的。所以聲壓是空間和時間的函數，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點速度的比值

一般情況下，聲阻抗率的值為復數，對平面聲波面言，。

（4）聲功率與聲強。將單位時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。當聲波傳播到原來靜止的媒質中時，質點在平衡位置附近來回振動。讓原來靜止的媒質有了功能，而媒質從聲擾動處得到的能量，還包括媒質自身產生了壓縮和膨脹使自身得到的能量聲擾動傳播走，聲能量也立刻轉移。

1.2 聲波的擴散

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

聲波在介質中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。聲波的衰減規律為：

是平面波在處的聲壓和聲強，為平面波在處的聲壓和聲強，為衰減系數。聲波能量的衰減取決于聲波的擴散，散射和吸收，它的衰減系數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。一般的媒質里，聲波隨距離衰減時，介質會吸收聲能并轉換為熱能而消散掉，這種因介質的吸收而導致聲波的耗散稱為聲波的吸收，引起聲波吸收的原因很多。在普通的媒質里，聲波吸收的主要原因是灰塵粒子對媒質做相對運動的摩擦損耗和聲波對粒子的散射引起的附加能量，衰減系數因介質材料的性質而異，晶粒越粗，衰減越大。聲波的擴散形象化表示如圖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。縱波是質點振動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。橫波是質點振動方向垂直于傳播方向的波，只可以在固體中傳播。表面波：質點的振動在橫波縱波之間，沿表面傳播，表面波質點振動的軌跡是橢圓形。

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械振動轉換成電信號的器件或裝置。現在傳感器是聲波傳感技術的主體。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變片或者半導體應變片粘貼在感應聲壓作用的膜片上構成的。聲壓作用在膜片上時，膜片會發生形變，應變片的阻抗就會變化，輸出電壓信號以此完成聲信號轉換電信號。而接觸阻抗型聲波傳感器的一個實例是炭粒式送話器。如圖所示，聲壓作用在膜片上時，膜片上產生振動膜片和電極之間炭粒的接觸電阻發生變化。這樣，通過送話器的電流便會變化，電流經變壓器耦合后，再經放大器放大后輸出。

（2）電磁變換型聲波傳感器。

電磁變換型聲波傳感器分為動磁式，動鐵式，磁感應式和可變磁阻式，電磁材料一般用導磁度高的導磁合金，電磁變換型傳感器的實例是動圈式話筒，如圖所示，動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膜片，其上帶有線圈，線圈套在磁鐵芯柱上，位于強磁場中，當振動膜片受聲波的作用后，帶動線圈切割磁力線，產生感應電動勢，實現了聲信號到電信號的轉換。

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，具有較強的穿透能力，反射性能良好，探測的距離遠，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，主控制器產生一定頻率的脈沖信號，送住發射電路來激發壓電探頭產生重復的超聲波脈沖，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，測得脈沖波從發射到接收的時間為，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傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。如圖2是一種超聲波傳感器的結構圖。由發送傳感器（或稱波發送器）、接收傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為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能量轉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，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發送的超進行檢測.而實際使用中，用作發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。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。振動用壓電陶瓷制成，加上共振喇叭可提高靈敏度，當振子處于發射狀態時，外加共振頻率的電壓能產生超聲波，當振子處于接收狀態時，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。超聲波的應用電路很多，以發射電路和接收電路尤為重要。

超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；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。次聲波通常產生于核爆炸，火箭起飛，飛機起降等事件中，還有一種次聲波聲源是次聲發生器，它具有較大的功率。次聲波的頻率低，傳播時有其特殊性。次聲波的傳播速度快，在空氣當中每秒三百多米，在水中每秒可達到1500米，次聲波的傳播距離遠。在傳播過程中衰減很小，在空氣中傳播幾千千米時，衰減不過萬分之一；次聲波的穿透力強，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量級也只有幾十到幾百Pa，所以必須把其機械位移轉化為電信號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，膜片聲順Cs、極板、均壓管聲阻R2，后聲順C2，絕緣板等構成，膜片與靠得很近的剛性后極板構成一個平行板電容器，電容量為C0，聲波作用時膜片振動，使電容變化△C，進行軟化成電壓信號輸出。電容式次聲波傳感器體積小，頻帶寬，輸出電壓大，靈敏度高，頻率響應好，長期穩定性高，可以直接與記錄器或信號轉換器連接，它的頻度響應為勁度控制，其系統的定頻限取決于系統的精度，在第一共振頻率以下可以有平直的響應，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展

新型聲波傳感器不斷出現，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來實現人機對話，還有微波諧振器，高頻率和更低頻率的聲波傳感器等，應用范圍越來越廣。聲波傳感器的未來發展方向主要是：研究小型化、集成化、自動化的傳感器裝置及陣列傳感器，進一步提高其靈密度、穩定性，并不斷拓展其適用的環境，最終發展到有創造力的智能化傳感器。

參考文獻

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