声音转换器设计细节分析

电子

声音是“声波”的通用名称。这些声波的频率范围从1Hz到数以万计的赫兹，人类的听觉上限大约在20 kHz（20,000Hz）范围内。

我们听到的声音基本上是由用于产生声波的音频换能器产生的机械振动组成的，并且要使声音“被听到”，它需要一种介质来通过空气，液体或固体进行传输。。

而且，实际声音不必是诸如单个音调或音符之类的连续频率声波，而可以是由机械振动，噪声或什至诸如“砰”声之类的单个声音脉冲制成的声波。

音频声音转换器既包括将声音转换为电信号的输入传感器（例如麦克风），又包括将电信号转换回声音的输出促动器（例如扬声器）。

我们倾向于认为声音仅存在于人耳可检测到的频率范围内，从20Hz到20kHz（典型的扬声器频率响应），但是声音也可以扩展到这些范围之外。

声音换能器还可以检测和传输声波和振动，从非常低的频率（称为次声）到非常高的频率（称为超声）。但是，为了使声音换能器检测或产生“声音”，我们首先需要了解什么是声音。

什么是声音？声音基本上是由某种形式的机械振动（例如音叉）产生的能量波形，其“频率”由声音的来源决定，例如，低音鼓的声音很小，而ym的声音较高。

声音波形具有与电波形相同的特性，即波长（λ），频率（ƒ）和速度（m / s）。声音的频率和波形都由最初产生声音的起源或振动确定，但速度取决于承载声波的传输介质（空气，水等）。波长，速度和频率之间的关系如下：
声波关系

哪里：
波长 –是一个完整周期的时间段，以秒为单位（λ）
频率 –是以赫兹为单位的每秒波长数（ƒ）
速度 –是通过传输介质的声音速度，单位为m / s -1

麦克风输入换能器的麦克风，也被称为“麦克风”，是一种声换能器可被归类为“声传感器”。这是因为它产生电模拟输出信号，该信号与作用在其柔性膜片上的“声”声波成比例。该信号是代表声波波形特征的“电图像”。通常，来自麦克风的输出信号是模拟信号，其形式为与实际声波成比例的电压或电流。

可以用作声音转换器的最常见类型的麦克风是Dynamic，驻极体电容，功能区和更新的压电晶体类型。麦克风作为声音转换器的典型应用包括音频记录，再现，广播以及电话，电视，数字计算机记录和人体扫描仪，其中超声用于医疗应用。下面显示了一个简单的“动态”麦克风的示例。

动态动圈式麦克风声音转换器

动态麦克风的结构类似于扬声器，但相反。它是一种动圈式麦克风，利用电磁感应将声波转换为电信号。它有一个很小的细线线圈，悬浮在永磁体的磁场中。当声波撞击柔性隔膜时，隔膜会响应作用在其上的声压来回移动，从而使连接的导线线圈在磁体的磁场内移动。

线圈在磁场内的运动导致在线圈中感应出电压，如法拉第电磁感应定律所定义。来自线圈的合成输出电压信号与作用在膜片上的声波压力成正比，因此声波越大或越强，输出信号就越大，这使得这种类型的麦克风设计对压力敏感。

作为线的线圈通常是线圈的移动的非常小的范围内和所附隔膜也非常小，其生产是90非常线性的输出信号ö异相声音信号。另外，由于线圈是低阻抗电感器，因此输出电压信号也非常低，因此需要某种形式的信号“预放大”。

由于这种类型的麦克风的结构类似于扬声器的结构，因此也可以使用实际的扬声器作为麦克风。

显然，扬声器的平均质量将不及录音室录音麦克风的平均质量，但合理的扬声器的频率响应实际上要比廉价的“免费”麦克风更好。同样，典型扬声器的线圈阻抗在8至16Ω之间有所不同。扬声器通常用作麦克风的常见应用是对讲机和对讲机。

扬声器输出转换器声音也可以用作输出设备以产生警报噪声或充当警报，并且扬声器，蜂鸣器，喇叭和发声器都是可以用于此目的的所有类型的声换能器，并且具有最常用的可听类型的输出声音执行器是“扬声器”。

扬声器是音频换能器，被归类为“声音执行器”，与麦克风完全相反。他们的工作是将复杂的电模拟信号转换为尽可能接近原始输入信号的声波。

扬声器具有各种形状，尺寸和频率范围，最常见的类型是动圈式，静电式，等动力式和压电式。迄今为止，动圈式扬声器是电子电路，套件和玩具中最常用的扬声器，因此，我们将在下面检查这种类型的声换能器。

动圈式扬声器的工作原理与我们在上面看到的“动态麦克风”的原理完全相反。细线线圈，称为“语音或音圈”，悬浮在非常强的磁场中，并附着在纸或麦拉薄膜锥上，称为“膜片”，其本身的边缘悬挂在金属框架上或底盘。然后，与作为压力敏感输入设备的麦克风不同，这种类型的声音换能器可以归类为压力产生输出设备。
动圈式扬声器

当模拟信号通过扬声器的音圈时，会产生电磁场，其强度取决于流经“语音”线圈的电流，而电流又取决于驱动放大器的音量控制设置或动圈驱动器。由该场产生的电磁力与周围的主要永久磁场相反，并根据北极和南极之间的相互作用，试图朝一个方向或另一个方向推动线圈。

由于音圈永久固定在圆锥体/膜片上，因此音圈也一前一后地移动，其移动会引起周围空气的干扰，从而产生声音或音符。如果输入信号是连续的正弦波，则圆锥将像活塞一样向内和向外移动，并随着空气的移动推动和拉动空气，并且会听到代表信号频率的连续单音。圆锥体移动并推动周围空气的强度及其速度产生了声音的响度。

由于语音或语音线圈本质上是电线线圈，因此它具有类似于电感器的阻抗值。对于大多数扬声器，该值在4至16Ω之间，称为以0Hz或DC测量的扬声器的“标称阻抗”值。

请记住，务必使放大器的输出阻抗与扬声器的标称阻抗匹配，以在放大器和扬声器之间获得最大的功率传输。大多数放大器-扬声器组合的效率额定值低至1或2％。

尽管存在一些争议，但选择优质的扬声器电缆也是扬声器效率的重要因素，因为电缆的内部电容和磁通量特性会随信号频率变化，从而导致频率和相位失真。这具有衰减信号的作用。同样，使用高功率放大器时，大电流流过这些电缆，因此，细的细铃状线型电缆可能会在长时间使用中过热，从而再次降低了效率。

人耳通常可以听到20Hz到20kHz之间的声音，现代量身定做的扬声器（称为通用扬声器）的频率响应可以在此频率范围内以及耳机，耳机和用作声换能器的其他类型的商用耳机进行定制。

然而，对于高性能您好GH连接保真度（高保真）型音响系统，声音的频率响应被分解成不同的更小的子频率从而提高两者的扬声器的效率和整体音质如下：
广义频率范围

描述单位	频率范围
超低音	10Hz至100Hz
低音	20Hz至3kHz
中档	1kHz至10kHz
高音单元	3kHz至30kHz

在多扬声器音箱中，将单独的低音扬声器，高音扬声器和中音扬声器容纳在一个音箱中，使用无源或有源“分频器”网络来确保音频信号被所有不同的子扬声器准确地分离和再现。扬声器。

该分频网络由电阻器，电感器，电容器，RLC型无源滤波器或运算放大器有源滤波器组成，它们的分频或截止频率点已微调至各个扬声器的频率点，并且是多扬声器“ Hi- fi”类型的设计如下。
多扬声器（Hi-Fi）设计

在本教程中，我们研究了可用于检测和生成声波的不同声音转换器。麦克风和扬声器是最常见的声音换能器，但是其他许多其他类型的声音换能器也使用压电设备检测非常高的频率，水听器设计用于水下以检测水下声音，声纳传感器既可以发送也可以接收声音。波浪探测潜艇和船只。