技术报告声音及其传感器1

声音 (声波) 是一种在介质 (在空气中称为空气) 中传播的波浪，它是一种纵波 (粗密波)，其中构成介质的非常小的粒子 (体积粒子) 沿着与波浪行进方向相同的方向振动，体积粒子密集的部分压力高于大气压力，而体积粒子粗糙的部分压力较低。压力在大气压下的变化称为“声压” (p)，通常表示为声压均方根 (有效rms) 。请注意，此度量单位为帕斯卡 (Pa) 或每平方米牛顿 (N/m2) 。

人可感知的声音 (可听声音) 的频带大约为20 Hz至20 kHz,声压范围为20μPa或20 Pa,最小和最大声音的声压比高达106。另外，噪音是声音的一种，对人来说不舒服的声音被特别称为噪音。

人们认为人类从声音的物理特征中区分和判断声音的差异，如下所示。

我们所说的高音、低音，主要是因为声音的频率不同。

即使是相同的“A”声音，也有高音“A”和低音“A”，这是因为作为“A”的声音的波的形状是相同的，但是音高频率是不同的，具有高音高的声音听起来高，具有低音高的声音听起来低。

即使是声音大小相同，声音高度相同的乐器，我们也可以区分它们的类型。

音调和音质仍然不是很清楚，但它被认为是由于声音波形略有不同。

此外，由于声音具有波的性质，因此它们具有诸如“反射”，“透射”和“衍射”的性质，并且随着距离而衰减。如下图所示，请参考。

测量声音时，通常会考虑频率特性和幅度。如您所知，频率的单位是赫兹 (Hz)。由于幅度的变化范围非常大，因此使用对数标度。此外，韦伯-费希纳定律指出“人类感知量与刺激量的对数成正比”，而听觉正是这样一种感知，因此使用对数标度。对数标度的单位是贝尔 (B)，它最初由美国人亚历山大·格雷厄姆·贝尔用来表示电话中电力传输的损耗。然而，由于贝尔 (B) 的值太大，因此实际使用的是分贝 (dB)，它是贝尔的十分之一。在声音领域，“级”一词用于表示分贝值。当用分贝表示“声音幅度”时，表示为“声音幅度为多少分贝”。

现在，假设声音的声压的有效值为p (Pa)，参考声压的有效值为p0 (Pa)，声压级Lp (dB) 由下式给出。

对于空气中的声音，参考声压p0为20μPa,接近正常人1 kHz纯音的最小可听值。

下图显示了声压p (Pa) 与声压级Lp (dB) 之间的关系:声压20μPa相当于声压级0 dB,声压1 Pa相当于声压级94 dB,声压20 Pa相当于声压级120 dB。虽然它不是可听的声音，但如果压力波动为0.1个大气压 (约1万 Pa)，则声压水平为174 dB。

用于检测声音的传感器通常被称为传声器。根据转换方式的不同，传声器可分为电动式、静电式和压电式三种类型。电动式麦克风的需求依然旺盛，尤其是在音乐领域；而压电式麦克风则主要用于低频声级计。出于测量目的，静电式（电容式）麦克风通常被广泛使用，因为它们体积小巧，在宽频率范围内具有平坦的频率响应，并且与其他类型的麦克风相比稳定性极佳。

静电结构如下所示。

还有两种类型的静电型麦克风:偏置型和后驻极型，区别在于是否从外部施加直流电压或使用永久电极化的聚合物薄膜而不是施加电压。

测量方式分为两种：声压型和声场型。通常使用声场型，但在某些特殊情况下，例如测量管道内的声音，则使用声压型。当传声器置于声场中时，作用于传声器振膜上的声压 P 等于传声器场声压）加上由于传声器的存在而产生的声压增量 ΔP0（P = P0 + ΔP0）。ΔP0 随频率和入射角而变化。