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技术报告声音及其传感器1

1.什么是声音?

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，使用的单位为帕斯卡 (Pa) 或每平方米牛顿 (N/m 2) 。

人可感知的声音 (可听声音) 频带大约为20 Hz至20 kHz,声压范围为20μPa或20 Pa,最小声音与最大声音的声压比高达10 6。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。

音的高度

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。

声音的大小

相同音高的“A”音可以是大声的“A”音，也可以是小声的“A”音，这主要是由于“A”音波形相同，但大声的“A”音幅较大，而小声的“A”音幅较小。

音色･音质

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。

图1声音的性质

2.声音测量单位

通常在测量声音时，音频的频率特性和其大小是主要对象。频率的测量单位是“Hz”。由于声音的大小变化范围非常广，因此使用对数尺度。此外，存在“人类的感知量与刺激量的对数成正比”的韦伯-费希纳法则，听觉作为一种感知量也使用对数尺度。对数尺度的单位是贝尔（B），这是美国的亚历山大·格雷厄姆·贝尔首次用于表示电话中的电力传输损失。然而，由于贝尔（B）的值过大，实际上使用的是其十分之一的分贝（dB）。在处理声音的领域中，表示分贝值的术语是“级别”。当将“声音的大小”转换为分贝值时，通常表述为“声音的大小级别为多少dB”。

现在，如果将某个声音的声压的有效值设定为p (Pa)，并且将作为参考的声压的有效值设定为p 0 (Pa)，则声压级L p (dB) 由下式给出。

对于空气中的声音，参考声压p 0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L p (dB) 之间的关系。20μPa的声压相当于0 dB的声压级，1 Pa相当于94 dB的声压级，20 Pa相当于120 dB的声压级。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。

  • 图2噪音的种类及其大小

3.声音传感器

音的检测传感器通常被称为传声器。传声器根据其转换方式的不同分为动电型、静电型和压电型。动电型（动态传声器）在音乐界仍然有着强劲的需求，而压电型传声器主要用作低频声级计的传声器。作为测量用，静电型（电容）传声器因其体积小、频率特性平坦且在其他形式中具有极高的稳定性而被广泛使用。

静电结构如下所示。

  • 图3 静电式传声器的结构

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。

4. 传声器的选择

在选择传声器时，需要考虑以下几点。

4.1码

传声器的公称口径有多种，1英寸、1/2英寸、1/4英寸、1/8英寸等，但目前在测量用途上，1/2英寸类型的传声器是主流。尺寸越小，能够保持高频声音场的稳定性，因此更受欢迎，但尺寸减小也会导致灵敏度降低，从而使用起来不便。此外，在极力避免声音场干扰的实验中，需要选择更小口径的类型。

4.2响应类型

音压型和音场型有两种类型。一般情况下使用音场型，但在测量管道内的声音等特殊情况下，会使用音压型。当将传声器放置在音场中时，作用在传声器振动膜上的声压 P 是传声器不存在时的声压 P 0（音场声压）与因放置传声器而增加的部分 ΔP 0之和（ P = P 0 + ΔP 0）。 ΔP 0会因频率和入射角的不同而有所变化。

  • 图4 音场中传声器振动膜上施加的声压

音压型是指在 P 0 + ΔP 0时输出的频率特性平坦的传声器。音场型是指在入射角 0°（正面入射）的 P 0时输出的频率平坦的传声器。需要注意的是，即使是音场型，在入射角为 0° 以外时，如下图所示，高频特性会发生变化。

  • 图5 音压型和音场型传声器的频率特性

4.3频率特性

选择能够充分覆盖测量所需带宽的设备，并尽量选择频率响应平坦的设备。当需要高频时，可能会影响声场，因此也要考虑4.1项中的尺寸。此外，如4.2项的图所示，正面入射声波的频率响应是平坦的，但其他方向的频率响应会受到限制，因此需要注意声源与传声器之间的位置关系。

4.4温度特性

传声器的稳定性是一个重要的因素。即使辛苦获得的数据没有可重复性，也必须避免重新采集。因此，从这个意义上来说，选择温度系数尽可能小的产品是安全的。

4.5自噪声电平 (自噪声)

传声器中即使没有声音输入，输出信号的大小也会存在，这个值越小，越能从噪声中分离并检测到微小的声音。

检查以上内容后，选择最适合要测量的传感器。