第9单元波传感器
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P Pmax / 2
一般来说，如未加说明，声压指有效声压。
第9单元波传感器
(2) 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
第9单元波传感器
PPmax/ 2
2. 声波的波形
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
(1) 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
I W/S
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
I
W 4πr2
第9单元波传感器
(4) 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。 ①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, 单位为分贝(dB)，即
P
Lp
20lg Pref
(dB)
式中，参考声压Pref=2×10-5 Pa，为1kHz时的听阈。
②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
LI
10 lg
I Iwk.baidu.comref
第9单元波传感器
③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
第9压单元电波传传感器感器的结构图
3. 电容式声敏传感器(静电型)
下图为电容式送话器的结构示意图。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。
第9单元波传感器
1. 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。
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。
第9单元波传感器
第9单元波传感器
碳粒式送话器的工作原理图
第9单元波传感器
2. 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。
常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即
LW
10 lg W Wref
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。
第9单元波传感器
4. 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ξ来表示。在平面波的情况下，其声压和 声强的衰减规律如下
第9单元波传感器
9.1 声传感器
9.1.1声波基本概念 1. 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16Hz~20kHz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。
P P0ex I I0e2x
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处的声压和声强；ξ为衰减系数。
5. 声波的多普勒效应
第9单元波传感器
9.1.2 声敏传感器 声敏传感器是一种将在气体、液体或固体
中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置， 它用接触或非接触的方法检出信号。声敏传感 器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致 伸缩效应、电磁感应、静电效应和磁致伸缩等 等。
第9单元 波传感器
9.1 声传感器 9.2 声表面波传感器 9.3 超声波传感器 9.4 微波传感器
第9单元波传感器
请你思考
考虑波的衰减主要取决于什么？ 目前的超声波测距传感器的测量准确度和响应
速度？ 举出采用电气和机械方法产生超声波的方法。
第9单元波传感器
波是指某一物理量的扰动或振动在空 间逐点传递时形成的运动。不同形式的波 虽然在产生机制、传播方式和与物质的相 互作用等方面存在很大差别，但在传播时 却表现出多方面的共性，可用相同的数学 方法描述和处理。波传感器的定义范围非 常广，只要是利用波动原理制作而成的传 感器都可以叫做波传感器。在本章中将介 绍主要的几种波传感器。
一般来说，如未加说明，声压指有效声压。
第9单元波传感器
(2) 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
第9单元波传感器
PPmax/ 2
2. 声波的波形
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
(1) 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
I W/S
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
I
W 4πr2
第9单元波传感器
(4) 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。 ①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, 单位为分贝(dB)，即
P
Lp
20lg Pref
(dB)
式中，参考声压Pref=2×10-5 Pa，为1kHz时的听阈。
②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
LI
10 lg
I Iwk.baidu.comref
第9单元波传感器
③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
第9压单元电波传传感器感器的结构图
3. 电容式声敏传感器(静电型)
下图为电容式送话器的结构示意图。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。
第9单元波传感器
1. 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。
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。
第9单元波传感器
第9单元波传感器
碳粒式送话器的工作原理图
第9单元波传感器
2. 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。
常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即
LW
10 lg W Wref
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。
第9单元波传感器
4. 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ξ来表示。在平面波的情况下，其声压和 声强的衰减规律如下
第9单元波传感器
9.1 声传感器
9.1.1声波基本概念 1. 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16Hz~20kHz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。
P P0ex I I0e2x
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处的声压和声强；ξ为衰减系数。
5. 声波的多普勒效应
第9单元波传感器
9.1.2 声敏传感器 声敏传感器是一种将在气体、液体或固体
中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置， 它用接触或非接触的方法检出信号。声敏传感 器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致 伸缩效应、电磁感应、静电效应和磁致伸缩等 等。
第9单元 波传感器
9.1 声传感器 9.2 声表面波传感器 9.3 超声波传感器 9.4 微波传感器
第9单元波传感器
请你思考
考虑波的衰减主要取决于什么？ 目前的超声波测距传感器的测量准确度和响应
速度？ 举出采用电气和机械方法产生超声波的方法。
第9单元波传感器
波是指某一物理量的扰动或振动在空 间逐点传递时形成的运动。不同形式的波 虽然在产生机制、传播方式和与物质的相 互作用等方面存在很大差别，但在传播时 却表现出多方面的共性，可用相同的数学 方法描述和处理。波传感器的定义范围非 常广，只要是利用波动原理制作而成的传 感器都可以叫做波传感器。在本章中将介 绍主要的几种波传感器。