[原创]声学传感器工作原理 声学, 传感器, 原理, 原创

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声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用。它的种类很多，本文按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器三节加以介绍。在分节述说前，先介绍一些声学量的基本概念和声传感器的基本性能指标的物理意义。 声波：弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、质点速度等的变化或几种变化的综合。 声场：媒质中有声波存在的区域。 声压：有声波时，媒质中的压力与静压的差值。单位为Pa。声压值是时间的函数。一般使用时，声压是有效声压的简称。声压在声场中具有空间分布。 峰值声压：瞬时声压在规定的时间内最大绝对值。 有效声压：媒点上瞬时声压在一个周期内的均方根值。 声压级：声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，单位为分贝（dB）。常用基准声压为20uPa（空气中）;1uPa（水中）。 声级：用一定的仪表特性和A，B，C计权特性测得的计权声压级。所用的仪表特性和计权特性都必须说明，否则指A声级。常用基准声压为20uPa。A，B，C计权特性分别是40，70，100方等响线的反曲线，计权特性用声级的字母表示。如A声级65dB。飞机噪声也可用D计权，其特性是40等噪线的反曲线。 声强：在某点上，一个与指定方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的平均声能。单位为W/m2。应当注意的是，声场在指定方向n的声强等于垂直于该方向的单位面积上的平均声能通量。声波为纵波时，声强可用下式表示：

式中 p——瞬时声压，Pa。 式中 un——瞬时质点速度在方向n的分量，m/s。 式中 T——周期的整数倍，或长得不影响计算结果的时间，单位为s。 在自由场平面或球表面波的情况，在传播方向的声强是。

式中 p——有效声压，Pa。 式中 ρo——质点密度，kg.m3。 式中 c——声速，m/s。 声功率：声源在单位时间内发射出的总能量。单位负责人W。 声吸收：指声波通过媒质或遇到表面时，部分声能转换成其它形式的能（通常是热能）而使声能降低的过程。 自由声场：均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可以不计的声场。 噪声：紊乱继续或统计上随机的声振荡或指不需要的声音，可引伸为在一定频段中任何不需要的干扰，如电波干扰。 噪声剂量：工作日，工作周或其它一定时间内，一切有关噪声的部分暴露指数的和。某一种噪声持续时间除以在一定时间（工作日、工作周）内该噪声级下允许的连续工作时间，称为该噪声的部分噪声暴露指数。总噪声指数代表人耳接收的噪声剂量。用积分表示为：

式中 D——总噪声暴露指数。 式中 T——计算时间，单位为s。 式中 PPA——瞬间A声级，dB。 混响时间：声音已达到稳态后停止声源，平均声能密度自原始衰变到其百万分之一（60dB）所需要的时间。 声压频率响应：声压测量传感器的输出对声压的比率作为频率的函数。该声压在传感器敏感元件的整个表面上无论相位或振幅对相等。 自由场频率响应：声场中声压测量传感器的输出与自由场声压之比作为频率的函数。该自由场声压是指无传感器存在时在传感器声中心位置的声压。 指向性：发射（或接收）某一频率的声波的声源（或声接收器）在其远场中的发射声压（或接收灵敏度）的方向特性。常用指向性图表示。指向性是声源在远场形成波束的方向特性，也是声接收器对入射声波的方向选择特性。 指向性图案：换能器在固定频率工作时，通过声中心的指定平面内其响应作为发射或入射声波方向函数，称为指向性函数。用图线表示的指向性函数，称为指向性图案。指向性图案是声源的远场声束图案的数学描述，是球坐标中方位角和俯仰角的函数。在不同频率下工作，同一换能器的指向性将随频率的提高而趋于明显。 漫射声：在给定区域内声能密度均匀的声，在区域内的任一点上所有方向的声能通量是等概率的。 随机入射响应：声压测量传感器漫射场的频率。射向传感器规定表面的声音是来自随机方向的。

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