几乎所有电子装置均包含传声器—从手机、PC和便携式扬声器,到电视、笔记本电脑和智能手表。本文将从物理学角度介绍专门在系统中量化声音的传声器:测量传声器。
物理原理
测量传声器以一种极简单的物理原理为基础:电容。传声器的电容与背板(硬板)和隔膜(拉紧的薄金属箔)之间的距离成反比。感受到声压时,隔膜发生变形,向靠近或远离背板的方向移动,改变系统电容。
电容的变化将转化为电压的变化。大多数测量传声器均以这一原理为基础。
尺寸
测量传声器按大小分为1-、½-、¼- 和1/8 英寸四种。隔膜越大,刚度越小,也越容易检测小幅声压变化,但另一方面,检测波长等于或大于隔膜,因此隔膜的尺寸会限制检测频率。大隔膜产生的噪声小,但小隔膜的检测频率大。小传声器在高频时的无指向特性较好。
对于典型的½英寸传声器,受到1帕斯卡的压力时,隔膜位移仅5纳米。在相同压力下,与地球等直径的隔膜仅移动5米。
频率为20 kHz(音频上限)的声波的波长为1.7 cm,接近食指的宽度。
您是否知道?
频率为20 kHz时,在压力场环境中使用自由场传声器会产生接近9 dB的误差。
灵敏度
灵敏度指传声器在特定声压下产生的电压,用V/Pa表示,并与频率有关。
1帕斯卡声压相当于94 dB SPL。因此大多数传声器校准器(如Brüel & Kjær的4231型声校准器)产生的声压为94 dB SPL-或1 Pa。
频率响应
因灵敏度与频率有关,频率响应定义为整个频率范围内的灵敏度。通常用相对于250 Hz的灵敏度表示,单位为dB。
动态范围
测量传声器的动态范围(如16 dBA − 143 dB)指传声器能作为线性传感器的范围。
第一个数字表示固有噪声。电容式传声器与前置放大器均会因电子元件的限制和布朗运动产生固有噪声。该噪声级产生的电压与传声器自噪声产生的电压相同。除非另有规定,否则测量噪声时通常选用1/3倍频程,通过A计权算法修正为人耳听力范围(22.4 Hz-22.4 kHz)。
第二个数字表示在总谐波失真小于3%的情况下可测量的最高声压级。
传声器的动态范围通常受前置放大器的限制。例如,CCLD(恒流源驱动)前置放大器在频率小于20 kHz时最高产生7V峰值电压。对于灵敏度为50 mV/Pa的传声器,最高可测量134 dB的声压级。如果使用传统前置放大器,能够将动态范围上限提高到146dB。
传声器的动态范围
你知道吗?
实验室标准传声器4180和4160是非常稳定的,世界上绝对声学测量都是以他们的灵敏度作为比对,且没有声源能够在宽频带产生足够低的不确定度的声压。
BK的4191型 ½英寸自由场传感器的动态范围为20 dBA-162 dB(即142 dB)。如果转换为测量距离,这一范围对应于从一缕头发到三个埃菲尔铁塔堆叠后的高度。
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