第9单元波传感器.ppt
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1、9.1 声传感器声传感器 9.2 声表面波传感器声表面波传感器9.3 超声波传感器超声波传感器9.4 微波传感器微波传感器 习题习题 9.1 声传感器声传感器9.1.1声波基本概念声波基本概念 1.声波声波 声波与振动是紧密相关的,机械振动常常引起声辐射。物体振动时激励着它周围的空气质点振动,由于空气具有惯性和弹性,在空气质点的相互作用下,振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀,并且逐渐向外传播而形成声波。按照频率范围,声波可分为次声波、可听声波、超声波。可听声波的频率在16Hz20kHz之间。低于16Hz的振动产生的机械波称为次声波。频率超过20kHz的机械波称为超声波。2.声波的波形声波
2、的波形 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同,声波的波型也会不同。通常有以下三种:(1)纵波 (2)横波 (3)表面波3.声波的特性声波的特性(1)声压声压(P)当声波传播时,某处的空气疏密地变化,使压强在大气压附近上下变化,相当于在原来的大气压强上叠加一个变化的压强,这个叠加上去的压强就叫声压。通常所说的声压,是指一段时间内瞬时声压的均方根值(即有效声压),故总是正值。对于正弦波形,有效声压等于瞬时声压最大值Pmax除以,即 一般来说,如未加说明,声压指有效声压。2/maxPP max/2PP(2)声功率声功率 声波是能量传播的一种形式,因此也常用能量的大小来表示声音的强弱。声源
3、在单位时间内向外辐射的声能量叫做声功率,用符号W表示,单位为W。(3)声强声强 声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。它是指单位时间内(每秒钟),声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量,用符号I表示,单位为W/m2。若声能通过的面积为S,则声强为 在无反射声波的自由场中,点声源发出的球面波,均匀地向四周辐射声能,因此,距离声源中心为r的球面上的声强为/IW S24WIr(4)声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级 通常采用按对数方式分级的办法来表示声音大小,这就是声压级、声强级、声功率级。声压级(LP)声压级Lp指测量的声压P与参考声压Pref的比值取常用对数,再乘以20
4、,单位为分贝(dB),即式中,参考声压Pref=210-5 Pa,为1kHz时的听阈。声强级(LI)声强级LI是指测量的声强I与参考声强Iref比值取常用对数,再乘以10,单位为分贝(dB),即20lg()prefPLdBP10lgIrefILI声功率级(LW)声功率级是指测量的声功率W与参考功率Wref的比值取常用对数,再乘以10,单位为分贝(dB),即10lgWrefWLW式中,参考功率Wref=10-12,为1HZ时听阈声功率值。由于在一定条件下,声压级、声强级、声功率级在数值上是相等的,因此,可将三者统一用声级表示。式中,P,I分别为平面波在x处的声压和声强;P0,I0为平面波在x=0
5、处的声压和声强;为衰减系数。5.声波的多普勒效应声波的多普勒效应0 xPPe20 xII e4.声波的衰减声波的衰减 声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,衰减的程度以衰减系数来表示。在平面波的情况下,其声压和声强的衰减规律如下1.电阻变换型声敏传感器电阻变换型声敏传感器 按照转换原理将这类传感器可分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器,其工作原理如图所示,当声波经空气传播至膜片时,膜片产生振动,使膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化,从而调制通过送话器的电流,该电流经变压器耦合至放大器经放大后输出。阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片
6、或半导体应变片粘贴在膜片上构成的。当声压作用在膜片上时膜片产生形变,使应变片的阻抗发生变化,检测电路将这种变化转换为电压信号输出从而完成声-电的转换。碳粒式送话器的工作原理图 2.压电声敏传感器压电声敏传感器 压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成的。下图是压电传感器的结构图。压电晶体的一个极面和膜片相连接,当声压作用在膜片上使其振动时,膜片带动压电晶体产生机械振动,压电晶体在机械应力的作用下产生随声压大小变化而变化的电压,从而完成声电的转换。压电声敏传感器可广泛用于水声器件、微音器和噪声计等方面。压电传感器的结构图 3.电容式声敏传感器电容式声敏传感器(静电型静电型)下图为电容式送话器的
7、结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成,膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片,它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。当膜片在声波作用下振动时,膜片与固定电极间的距离发生变化,从而引起电容量的变化。如果在传感器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电压E,在电容量随声波的振动变化时,在RL的两端就会产生交变电压。电容式声敏传感器的输出阻抗呈容性,由于其容量小,在低频情况下容抗很大,为保证低频时的灵敏度,必须有一个输入阻抗很大的变换器与其相连,经阻抗变换后,再由放大器进行放大。电容式送话器结构示意图 4.音响传感器音响传感器 音响传感器包括:将声音载于通信网的电话话筒;将可听频带范围(20Hz
8、20KHz)的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒;从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据不同的工作原理(有电磁变换、静电变换、电阻变换、光电变换等),可制成多种音响传感器。下面介绍一种音响传感器水听器。一般来说,水声观测设备主要由两部分组成,一是电子设备产生、放大、接收和指示电信号的部分,它具体包括发射机、接收机、指示器等;二是水声换能器它的作用是完成电声信号的转换。下图是几种常用的水声设备的作用示意图。(a)被动式声呐(b)主动式声呐几种水声设备的工作示意图 当水声换能器工作在发射状态时,它的任务就是把电的振荡能转换为机械系统的振动能,再推动水介质向外辐射声能量。当水声换能器工作
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