声音传感器输入/输出设备

声音传感器使用电能产生机械振动，以干扰周围空气产生的声音，无论是听得见的还是听不到的声音

声音是“声波”的通用名称。这些声波的频率范围从1Hz到数万赫兹，人类听觉的上限在20kHz（20,000Hz）范围内。

我们听到的声音基本上是由用于产生声波的音频声音传感器产生的机械振动组成，并且为了“听到”声音，它需要通过空气，液体或固体传输的介质。 

声音传感器

此外，实际声音不一定是连续频率的声波，如单音或音符，但可能是由机械振动，噪音甚至单一声音脉冲制成的声波，如“爆炸”。

音频声音传感器包括输入传感器，将声音转换为电信号，如麦克风，输出执行器，将电信号转换回声音，如扬声器。

我们倾向于将声音视为开启存在于人耳可检测的频率范围内，从20Hz到20kHz（典型的扬声器频率响应），但声音也可以超出这些范围。

声音传感器也可以检测到从称为 infra-sound 的非常低的频率传输声波和振动，直到称为超声波的非常高的频率。但是为了让声音传感器检测或产生“声音”，我们首先需要了解声音是什么。

什么是声音？

声音基本上是一种能量波形通过某种形式的机械振动（例如音叉）产生，其具有由声音的原点确定的“频率”，例如，低音鼓具有低频声音而钹具有较高频率的声音。 / p>

声波形具有与波长（λ），频率（ƒ）和Velocity（ m / s ）。声音频率和波形都由最初产生声音的原点或振动确定，但速度取决于携带声波的传输介质（空气，水等）。波长，速度和频率之间的关系如下：

声波关系

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其中：

波长 - 是一个完整周期的时间段，以秒为单位，（λ）

频率 - 是以赫兹为单位的每秒波长数，（ƒ）

速度 - 通过传输介质的声速是m / s -1

麦克风输入传感器

麦克风，也称为“麦克风”，是一种可被归类为“声音传感器”的声音传感器。这是因为它产生电模拟输出信号，该信号与作用在其柔性膜片上的“声学”声波成比例。该信号是表示声波形特征的“电图像”。通常，来自麦克风的输出信号是模拟信号，其形式为电压或电流，与实际声波成比例。

可用作声音传感器的最常见类型的麦克风是动态，驻极体电容器，功能区和更新的压电晶体类型。麦克风作为声换能器的典型应用包括音频记录，再现，广播以及电话，电视，数字计算机记录和身体扫描仪，其中超声波用于医疗应用。下面显示了一个简单的“动态”麦克风示例。

动态动圈式麦克风声音传感器

动态麦克风的构造类似于扬声器，但相反。它是一种动圈式麦克风，它利用电磁感应将声波转换成电信号。它有一个非常小的细线圈悬挂在永久磁铁的磁场中。当声波撞击柔性膜片时，膜片响应于作用在其上的声压来回移动，使得所连接的线圈在磁体的磁场内移动。

如法拉第电磁感应定律所定义的，磁场内的线圈导致在线圈中感应出电压。来自线圈的合成输出电压信号与作用在振膜上的声波压力成正比，因此声波越大或越强，输出信号就越大，这使得这种类型的麦克风设计对压力敏感。

由于线圈通常非常小，线圈和连接膜片的移动范围也非常小，产生非常线性的输出信号，与声音信号的相位相差90° o 。此外，由于线圈是低阻抗电感，输出电压信号也非常低，因此需要对信号进行某种形式的“预放大”。

由于此类麦克风的构造类似在扬声器的情况下，也可以使用实际的扬声器作为麦克风。

显然，扬声器的平均质量不如演播室型录音麦克风那么好，但频率响应也是如此。一个合理的说话者实际上比一个廉价的“免费赠品”麦克风更好。此外，典型扬声器的线圈阻抗在8到16Ω之间不同。扬声器通常用作麦克风的常见应用是对讲机和步话机。

扬声器输出传感器

声音也可用作输出设备产生警报噪音或充当警报，扬声器，蜂鸣器，喇叭和发声器都是可用于此目的的所有类型的声音传感器，最常用的声音型输出声音执行器是“扬声器”。

扬声器传感器

扬声器是音频声音传感器，被归类为“声音执行器”，与麦克风完全相反。他们的工作是将复杂的电气模拟信号转换为尽可能接近原始输入信号的声波。

扬声器有各种形状，大小和频率范围，更常见的类型是动圈，静电，等动力和压电。动圈式扬声器是迄今为止电子电路，套件和玩具中最常用的扬声器，因此我们将在下面讨论这种类型的声音传感器。

移动线圈扬声器的操作原理与我们在上面看到的“动态麦克风”完全相反。称为“语音或音圈”的细线圈悬挂在非常强的磁场中，并附着在纸张或Mylar锥体上，称为“膜片”，其本身在其边缘悬挂在金属框架上或底盘。然后，与压敏输入设备的麦克风不同，这种类型的声音传感器可以归类为压力产生输出设备。

动圈式扬声器

当模拟信号通过扬声器的音圈时，产生一个电磁场，其强度由流过“声音”的电流决定线圈，又由驱动放大器或动圈驱动器的音量控制设置决定。该磁场产生的电磁力与其周围的主永磁场相对，并试图沿一个方向或另一个方向推动线圈，这取决于北极和南极之间的相互作用。

作为声音线圈永久地连接在锥形/隔膜上，它也会串联移动，其运动会对周围的空气造成干扰，从而产生声音或音符。如果输入信号是连续的正弦波，那么锥体将进出作用，就像活塞在移动时推动和拉动空气一样，将听到表示信号频率的连续单音。锥体移动和推动周围空气的强度和速度产生声音的响度。

由于语音或音圈基本上是一个线圈，它就像一个电感器一样阻抗值。大多数扬声器的此值介于4和16Ω之间，称为扬声器的“标称阻抗”值，以0Hz或DC测量。

请记住，始终匹配放大器的输出阻抗非常重要与扬声器的标称阻抗一起获得放大器和扬声器之间的最大功率传输。大多数放大器 - 扬声器组合的效率等级低至1％或2％。

虽然有些人有争议但选择好的扬声器电缆也是扬声器效率的重要因素，因为内部电缆的电容和磁通量特性随信号频率而变化，从而引起频率和相位失真。这具有衰减信号的效果。此外，对于高功率放大器，大电流流过这些电缆，因此小的细喇叭线型电缆在长时间使用时会过热，再次降低效率。

人耳通常可以听到20Hz到20Hz之间的声音。 20kHz，现代扬声器（称为通用扬声器）的频率响应专为在此频率范围内工作而设计，以及用作声音传感器的耳机，耳机和其他类型的商用耳机。

然而，高性能 Hi gh Fi delity（ Hi-Fi ）型音频系统，声音的频率响应被分成不同的较小子频率从而提高扬声器效率和整体音质如下：

广义频率范围

In多扬声器外壳，单独的低音扬声器，高音扬声器和中音扬声器安装在一个外壳内，无源或有源“交叉”网络用于确保音频信号被所有不同的子扬声器精确分割和再现。

此交叉网络由电阻，电感，电容， RLC 类型无源组成滤波器或运算放大器有源滤波器的交叉或截止频率点可以精确调整到各个扬声器的特性，下面给出了多扬声器“Hi-fi”型设计的一个例子。

多扬声器（Hi-Fi）设计

在本教程中，我们研究了可用于检测和生成声波的不同声音传感器。麦克风和扬声器是最常用的声音传感器，但其他许多其他类型的声音传感器可用于使用压电设备来检测非常高的频率，水听器设计用于水下用于检测水下声音和声纳传感器，它们都可以发送和接收声音用于探测潜艇和船只的波浪。