声换能器在声音感知与生成中的应用

一、引言

声换能器（Sound Transducer）是一类能将电信号与声能之间进行双向转换的机电器件。
在电子系统中，换能器既可作为输入设备（如麦克风，用于声音检测），
也可作为输出设备（如扬声器，用于声音生成）。

声换能器的基本功能是将空气中的声波转换为电信号，或将电信号再转换为空气振动，从而实现通信、测量与控制功能。

二、声换能器的工作原理

2.1 基本能量转换

声换能器依赖两种主要物理效应：

1. 电磁感应效应（Electromagnetic Induction）

• 用于动圈麦克风与动圈扬声器。

• 声波使导体线圈在磁场中运动，产生感应电压或电流。

2. 压电效应（Piezoelectric Effect）

• 用于晶体麦克风、蜂鸣器、超声传感器等。

• 压电材料受机械压力时产生电势差，反之加电信号会引起机械形变。

两者的方向可逆，因而同一结构可作为“传感器”或“发声器”使用。

三、麦克风（Microphones）——声音输入换能器

麦克风的作用是将空气中的**声压波（Sound Pressure Wave）**转换为相应的电信号。
常见麦克风类型及其结构如图 1 所示（动圈式、驻极体、电容式等）。

3.1 动圈式麦克风（Dynamic Microphone）

• 原理：利用音膜带动线圈在固定磁场中运动，依据法拉第电磁感应定律产生电压。

• 结构：线圈 + 永磁体 + 振膜。

• 特点：

• 结构坚固、价格低廉；

• 不需外部电源；

• 频响范围广；

• 灵敏度中等。

• 典型应用：舞台、广播、通用音频采集。

图 1 动圈式麦克风原理示意：声波 → 振膜 → 线圈运动 → 感应电流。

3.2 电容式麦克风（Capacitor / Condenser Microphone）

• 原理：将声音振动转换为电容变化，再通过偏置电压转换为电信号。

• 结构：固定极板 + 可动膜片形成电容。

• 特点：

• 高灵敏度与宽频响应；

• 需外加偏置电压（通常 +48V Phantom Power）；

• 适用于精密录音与测量应用。

• 缺点：易受湿度与温度影响。

3.3 驻极体麦克风（Electret Microphone）

• 属于电容式麦克风的变种。

• 在膜片上预存永久电荷，不需外部高压偏置，仅需微小偏置供电。

• 优点：体积小、成本低、广泛用于手机、笔记本、传感模块。

• 输出需经场效应管（FET）缓冲。

3.4 压电式麦克风（Piezoelectric Microphone）

• 利用压电晶体在声压作用下产生电势变化。

• 结构简单、无需电源、成本极低。

• 缺点：频响较窄，信号非线性。

• 应用：玩具、报警器、廉价通信设备。

四、扬声器（Loudspeakers）——声音输出换能器

扬声器的作用与麦克风相反：将电信号转换为声波。

4.1 动圈式扬声器（Moving Coil Loudspeaker）

• 最常见的类型。

• 电流流经音圈后产生磁力，与固定磁场相互作用带动纸盆（振膜）前后运动。

• 频响范围广，音质自然。

• 由磁体、音圈、振膜与框架组成。

图 2 动圈式扬声器工作原理示意：电流方向改变 → 磁力方向反转 → 振膜往复运动 → 声波辐射。

4.2 压电式扬声器（Piezoelectric Sounder）

• 工作于压电反效应原理。

• 典型结构为陶瓷片贴附于金属基片上。

• 加交变电压 → 陶瓷片周期形变 → 激发空气振动。

• 优点：功耗低、结构小；

• 缺点：低频响应差。

• 应用：蜂鸣器、报警器、电子表。

4.3 电磁式蜂鸣器（Electromagnetic Buzzer）

• 利用电磁铁吸拉金属振片形成周期性机械振动。

• 可由方波信号直接驱动。

• 多用于报警提示、状态反馈。

五、超声换能器（Ultrasonic Transducers）

超声波换能器使用压电陶瓷元件产生和检测高频声波（>20kHz）。

• 典型应用：超声测距、液位检测、医学成像、无损检测。

• 驱动频率：40kHz 常见；

• 发送与接收单元可独立或组合为双功能结构。

其核心方程为：

V=d33⋅FV = d_{33} cdot FV=d33⋅F

其中 d33d_{33}d33 为压电常数，$F$ 为施加力。

EEPW 工程点评：现代超声传感器结合数字时序测量，可达毫米级精度，常与 MCU 模块（如 STM32、ESP32）直接接口。

六、声换能器的应用场景

七、现代发展与EEPW点评

1️⃣ MEMS 声学传感技术

• 利用硅微加工工艺制造微型电容麦克风；

• 集成前置放大器与 ADC；

• 具备高信噪比（>65dB）与一致性。

EEPW 点评：MEMS 技术使声学传感进入芯片级集成时代，为 AI 语音、可穿戴设备、智能音箱奠定基础。

2️⃣ 数字音频接口集成

• I²S / PDM / TDM 接口成为麦克风与处理器的标准连接方式；

• 取代传统模拟信号链，简化 EMC 设计。

3️⃣ 声学能量采集与逆向应用

• 压电换能器除作为发声器，还能实现能量回收（如机械振动 → 电能）；

• 在自供电传感器与低功耗物联网设备中逐渐兴起。

4️⃣ 智能声学系统

• 多麦克风阵列 + DSP 实现波束成形与回声消除；

• 未来趋势为“自学习声换能系统”，具备实时环境自适应能力。

八、结论

声换能器是电声系统中实现能量跨域转换的关键组件。
从早期动圈麦克风到现代 MEMS 数字阵列，其发展体现了从机电到微系统、从模拟到数字的演进方向。

EEPW 编辑部认为：

未来声换能器将不仅是“信号入口”或“输出端”，而将成为声学感知与交互智能的核心节点，在智慧家庭、语音识别、医疗监测、工业声学诊断中发挥决定性作用。