空气声和水声传感器在物联网与传感器技术中的应用

1.空气声传感器

1）空气声传感器是将空气中的声波转换成电量的一种装置，通常包括接收类换能器和发射类传送器。接收类传感器通常称为传声器（俗称话筒、麦克风），专业称为拾音器，在通信中又称为受话器。发射类传感器通常称为扬声器、送话器或者喇叭。耳机也是一种发射类传感器，电话中称为送话器，发射类传感器是将电信号通过一种结构转换为可在空气中传播的一种振动，这些统称为空气声传感器。

2）碳粒送话器最常见的是电话中的受话器。其基本原理是改变封闭于固定在振膜顶端上的可动前电极与固定后电极之间的碳粒的接触电阻。这是一种自放大式换能器，有效增益约为50dB。它有非常耐用、价廉且容易制作等优点。其主要缺点是由于碳粒的恶化而造成寿命缩短、高杂音电平、性能不稳定以及基本非线性。通常装在话机的手柄里，特殊环境有置于头戴支架上、面罩和防毒面具里，或佩戴在人身上。骨导式送话器属于特殊的种类。典型的小型碳粒送话器如图6-14所示。

3）半导体（压敏晶体管）送话器是利用晶体管结区受到一个适当位置的机械应力，晶体管的跨导将受到调制的原理来实现对语音检测的，这样它和碳粒送话器一样可用作送话器。半导体应变计也可用作受话器，利用语音对其产生纵向应变，实现对声音的检测。

4）动圈式传声器工作原理类似于发电机，当外界的声波作用于膜片时，便会带动膜片以及连接于其上的金属线圈一起振动，于是便会产生相应的变化电流，声音便被转化为电信号。动圈式扬声器振膜或锥体通常用一种经过特殊处理的含有毛毡成分的纸制成，存在它的边缘卷曲部分可以做得薄些，在少数情况下，振膜可以采用轻金属或增强的泡沫塑料制造。铜线或铝线音圈绕在纸或塑料架上，用胶固定在纸盆顶部。图6-15所示为动圈式传声器工作原理实物图。

图6-14 压电式送话器套装

图6-15 动圈式传声器工作原理与实物图

5）电容式传声器工作原理如图6-16所示。由图可见，电容式传声器的振膜可以做得很轻很薄，所以它对细小的或是突发的声音非常敏感。它的突出优点是清晰、清澈且准确，所以电容式传声器在声学环境良好的录音棚中得到了大量使用，人声、传统乐器通常都要用电容式传声器来进行拾音，以得到最好的音质，力求高保真的古典音乐录音往往非用电容式传声器不可。其缺点是价格贵、膜片轻薄，所以其机械性能较差，怕磕、碰、摔，有时过强、过于突发的声音也会导致其报废。

图6-16 电容式传声器原理与实物图

6）驻极体传声器中的驻极体是一些相当于永磁体的绝缘材料，在较高温度时以强电场处理（20kV/cm），在冷却后可保留极化。在电容式传声器的后极板上涂上一层薄的驻极体材料（如聚四氟乙烯），极化后即成为极化电压，不再需要另加极化电压。这种驻极体电容传声器基本可代替空气电容式传声器，而且在高湿度的气候中无击穿危险。

驻极体薄膜（如聚酯薄膜，厚度可接近6.25μm）直接压到穿大量小孔的后极板上，极化后，外面镀金属并与外壳连接作为接地电极，后极板绝缘为另一电极，这就成为驻极体传声器。电容传声器用空气隙，电容可达50pF/cm²；驻极体传声器电容可达到50pF/cm²以上。减少了使用极化电压和电容低的问题，质量虽稍差，但可用作标准传声器和在一般情况中应用。其原理与实物如图6-17所示，结构中膜是由镀金属层的上电极的驻极体振膜和被气隙分开的用作下电极的金属板组成，负载电阻R被连接在上下电极间。气隙中的电场E₁是由驻极体内长寿命电荷层的电荷密度σ决定。

图6-17 驻极体声-电传感器原理示意图与实物图

声级计用于测量声场中的声级（dB），是指在声频范围内和测试时间内平均声能量的结果，频率计权和时间间隔应按标准规定。其特点为①数字显示，读数准确，操作简单、方便；②可外接滤波器进行频谱分析；③直接测量等效连续声级和噪声暴露量等；④具有数据存储、打印、与计算机连接等功能；⑤可测量脉冲及低声级。

硅声压传感器目前有压阻式和电容式两种。

压阻式硅声压传感器是将压阻元件做到敏感结构上，利用压阻原理制作的硅微声压传感器，具有大声强测量的特点，可以应用于特定的大声强环境，如战场爆破环境以及对大型武器系统的环境监测。

电容式硅声压传感器是将淀积在膜片表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一电极淀积在衬底上，两者构成平行板式电容器。当膜片感受声压作用而弯曲时，电容器的极板间距改变，引起电容变化，其变化量与被测声压相对应，从而得知被测声压信号。由于声压一般较小，因此膜很薄。电容式传感器灵敏度高、体积小，可以应用于战场和特殊环境侦查。

2.水声传感器

水声传感器是一种能在水下实现声-电能量互换的元件，水声换能器是能把电能转换为机械振动的装置。它处在接收状态时，正好与发射状态相反，能将水中的声能转换成电能，故通常又称为水声换能器。

1）标量水听器电动式换能器的工作原理是，处于磁场中的载流导体，受到一小磁场力的推动，此力大小等于垂直于磁场方向的导体长度与电流的乘积。反之，在切割磁力线而运动的导体上会产生感应电动势，其大小等于导体运动速度乘以与磁场相垂直的导体长度。电动式换能器典型结构如图6-18所示。电磁式水声换能器的工作原理是，利用作为磁路一部分的衔铁片，当它受到外力作用而振动时，会改变磁铁的磁阻，并使磁路中的磁通量变化，从而就会使绕在磁铁上的线圈产生感应电动势。反之，当线圈中的电流发生变化时，就会改变磁路的磁通量，从而使电磁铁对衔铁片的作用力发生变化，引起振动膜振动。前者将声能转换成电能，后者将电能转换为声能。其结构如图6-19所示。

图6-18 电动式换能器的典型结构

图6-19 电磁式换能器的典型结构

2）磁致伸缩换能器所利用的物理效应是铁磁材料的磁致伸缩效应，通过该效应完成电声能量转换。其典型的原理图如图6-20a所示，在由镍制成的棒上绕有导线，当线圈上通电流后，则由安培定律可知，此时在线圈的轴向将产生磁场，镍棒在磁场的作用下产生伸长或缩短现象，如果施加的是交流电，则镍棒将随交流电的变化而发生振动，从而推动水介质发射声波。反之，当此棒受水介质中声波作用而发生形变时，镍棒内的磁场强度就会发生变化，从而会在线圈两端产生电动势。

在磁致伸缩换能器中，用得最多的材料是镍。用镍制成换能器最大的特点是机械强度和稳定性好。常常用于水声探测的声发射传感器。图6-20b所示为典型的磁致伸缩换能器。

图6-20 磁致伸缩换能器

当外界有声信号时，通过声耦合材料将声信号传递到压电元件表面，使压电元件表面产生微变，由于压电效应的存在，使压电元件表面产生电荷信号，从而通过测量此电荷信号来测量声信号。常用的压电换能器具有如下几种基本形式，长度振动换能器、复合棒式压电换能器、圆柱形压电换能器和弯曲振动换能器等。(www.xing528.com)

3）长度振动换能器有两种形式：一种是1/2波长长度振动换能器，如图6-21a所示；另一种是1/4波长长度振动换能器，如图6-21b所示。图6-21a中的每个压电元件均由若干块压电陶瓷长条片组成，长条片的长度为1/2波长。在每个长条片的上下面均涂有银层作为电极（图6-21中斜划线的部分即表示电极），它的上面焊有引出线，以便于与电缆相连。后盖板是由反声材料制成的，油层经常用的是硅油或蓖麻油，透声膜由透声材料制成。后盖板、油层、透声膜三者促使换能器只向前方单面辐射和接收声波。电缆用于与发射机或接收机相连。图6-21b与上述类似，只不过它的长度为1/4波长。后盖板由重金属钢或钨钢等制成，作为压电元件的负载，它的长度也为1/4波长。空气腔与油层、透声膜组合促使换能器只向前方单面辐射和接收声波。图6-21c为一种典型的长度振动换能器实物。

图6-21 典型的长度振动换能器的结构原理与实物

4）复合棒式压电换能器是一种目前用得比较广泛的换能器，利用的是沿轴线方向的微振动。前盖板由轻金属（铝、铝钛合金、铝镁合金等）制成，与后盖板配合，可以使前盖板端面的振速增大，从而增大辐射功率。此外，前盖板用轻金属制成尚可降低换能器的机械品质因数、增大频带宽度。至于它之所以做成喇叭形，除了能增大辐射面积以外，在调节喇叭的锥度时，尚可调节换能器的阻抗和机械品质因数。预应力螺杆预先对压电元件施加一个压力，以提高压电元件的功率容量。因为压电陶瓷承受压力能力较承受张力的能力大，预先加一个压力，它就可作较强烈的振动而不至于破裂。

圆柱形压电换能器内部的压电元件由若干个压电陶瓷薄壁圆管组成，圆管与圆管之间夹有隔振的橡胶，圆管的内腔填充反声材料，使换能器可单向辐射和接收声波。水密外壳由透声橡胶或薄铜板或薄不锈钢板制成，外壳与压电元件的外表面之间充有硅油或蓖麻油，以利于透声。

弯曲振动换能器结构如图6-22所示，利用的是压电敏感元件的弯曲振动模式实现信号检测，特点是工作频率不会很高。

图6-22 弯曲振动换能器

5）聚偏氟乙烯（PVDF）材料的水声换能器：聚偏氟乙烯是一种由重复单元的长键分子所组成的半晶体的聚合物。它具有压电效应，对声学领域来说，这是一种较新的材料，为使聚合物变为压电体，在高温下，将铝用真空沉淀法沉淀到膜的两面而形成电极，在电极的两端施加强直流电场使其极化。圆柱形压电膜接收器是用聚氯乙烯圆柱体作为强固材料，沿它的圆周贴上压电膜而制成的，当圆柱体受到声压振动时，圆周方向上的伸展在压电膜上产生电压。聚氯乙烯圆柱体作为振动体的同时，还起到了水密作用，具有耐水压作用。

6）溢流环工作原理：溢流环由圆管形压电陶瓷换能器组成，用聚氨酯作为强固材料，沿它的圆周贴上，起到了耐水压的作用。由于其内部中空，所以压电元件内外表面不存在压力差，从而可以实现深水高压强下的声测量。

7）微机电系统水听器：将几何尺寸或操作尺寸仅在微米、亚微米甚至纳米量级的微机电装置（如微机构、微驱动器等）与控制电路高度集成在硅基或非硅基材料上的一个非常小的空间里，构成一个机电一体化的器件或系统。

硅微压阻式矢量水听器：采用微机电系统技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试。其工作原理是沿一块半导体某一轴向施加一定应力时，材料的电阻率要发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。硅微压阻式矢量水听器是一种同振型矢量水听器。压阻式矢量水听器结构与敏感基元由半导体硅制作，其原理示意图如图6-23所示。

图6-23 压阻式矢量水听器结构与敏感基元原理示意图

通过微机械加工工艺制作矢量水听器技术具有可行性，达到了提高矢量水听器的低频灵敏度，并且实现传感器小型化的预期目标。

利用这种原理制作的二维声矢量传感器的实物如图6-24所示。当有声信号时（当水听器外壳跟随声场质点振动时），由于悬臂梁结构的存在，并且由于质量结构单元有保持原有运动状态的性质，因此质量单元相对于外壳有相对运动。通过建立方程，可以推导出质量单元的相对位移与水听器振速的幅值成正比。

8）光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、很好的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势，因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战。

图6-24 二维声矢量传感器的实物

9）矢量水听器是用振速水听器来对质点振速水声矢量进行测量的传感器。如果把声压水听器和振速水听器组合在一起，则可同时测量声场的声压和质点振速，这种组合在一起的传感器被称为声压-振速组合传感器，它也是矢量传感器。可做成一维、二维、三维的形式，用以测量直角坐标系中一个或多个矢量分量（例如质点振速等），如果将矢量水听器与声压水听器在结构上组合为一体，同时矢量与标量信号分别有各自的输出通道，便可实现用一只组合水听器同时得到矢量与标量信息。矢量水听器可分为双声压水听器型、外壳静止型和同振型等3类。

10）双声压水听器是仿照空气声学中的“双传感器”而构成的。它由两个复数灵敏度（幅值及相位的频率响应）已知且相同的声压水听器组成。水听器声中心之间的距离远小于相应最高测量频率的声波的波长。利用有限差分近似，由两个水听器输出电压的差值信号，可计算出水听器声中心连线中点处的声压梯度或振速。这种双声压水听器灵敏度较低，特别是在低频和弱声场情况下，信噪比较低，因此“双水听器”型矢量水听器在应用中受到了很多限制。

11）外壳静止型矢量水听器结构示意图如图6-25所示。它是在大质量金属外壳或框架上安装敏感元件，当水听器置于声场中时，外壳对声波呈现高的声阻抗，在声场作用下，外壳或框架近似静止不动，敏感元件直接受到声场的作用下发生形变，实现声-电的转换。图6-26所示为一种外壳静止型矢量水听器实物。

图6-25 外壳静止型矢量水听器结构示意图

图6-26 外壳静止型矢量水听器实物

12）同振型矢量水听器：敏感元件置于球形或圆柱形壳体内，声波不直接作用于敏感元件上。当球体或圆柱体作振荡运动时，敏感元件在惯性力的作用下发生形变，实现声-电转换。这种水听器在设计上要使球体或圆柱体的平均密度近似等于水介质密度，球体或圆柱体则以与水介质质点相同的幅度和相位作振荡运动，故称为同振型。

13）光纤矢量水听器：由3个光纤加速计组合构成矢量水听器，可以进行矢量振动信号的检测。频率响应范围为10Hz～1kHz，带内起伏≤±2dB。

3.固体声传感器

在外界载荷（外加机械载荷、温度变化等）作用下，由于材料内部缺陷的存在，固体内部将产生局部应力集中现象。应力集中区域的高能状态是不稳定的，将向稳定的低能状态过渡，这一过渡是应变能以弹性波的方式快速释放的过程，即声发射。因各种材料的物理性质不同，即使同一材料，所处的应力等级也是不同的，因而声发射所覆盖频率范围较宽。它既可能在次声频段，也可能在可听声频段，或在超声频段。金属材料的声发射信号一般在几十千赫到几百千赫频段。因此要想检测金属结构的声发射信号，传感器必须具备宽频带的性质。声发射检测仪的基本组成单元（复杂系统除基本单元成倍增加外，尚须增加时差测量单元、计算机处理单元）为换能器、信号处理器和参数显示器。

由于压电材料具有好的动态特性，振型丰富，因此在动态测量中有明显优势，因此一般选用压电材料做敏感材料。通常的压电加速度计是一个由弹性元件和质量元件构成的二阶系统，谐振频率与弹性元件的刚度成正比，与质量元件的质量成反比，由于质量的限制，它不能获得较高的谐振频率，因此只能在低频段声发射研究中应用。为了获得高的频响，考虑采用一阶模型，即由弹性元件自身构成拾振系统。