Zvukové senzory jako zařízení, která převádějí akustické signály na elektrické signály, nacházejí rozsáhlé uplatnění v průmyslové automatizaci, inteligentních domácnostech, lékařské diagnostice a dalších oborech. Na základě jejich provozních principů a cílů detekce jsou zvukové senzory primárně rozděleny do následujících kategorií:
I. Piezoelektrické snímače
Piezoelektrické zvukové senzory využívají vlastnosti materiálů, jako je křemen a keramika. Když akustický tlak působí na povrch materiálu, indukuje změny elektrického náboje, čímž generuje elektrický signál. Tyto snímače nabízejí vysokou citlivost a širokou frekvenční odezvu s typickými aplikacemi, jako jsou:
1. Mikrofony:Elektretové kondenzátorové mikrofony (ECM) používají jako membránu polarizovaný elektretový film, který nabízí nízkou cenu a kompaktní velikost, díky čemuž jsou široce používány ve spotřební elektronice. Mikrofony MEMS integrují miniaturní kapacitní struktury prostřednictvím polovodičových procesů, vyznačují se silnými-schopnostmi rušení a vynikající konzistencí, které se běžně vyskytují u chytrých telefonů.
2. Ultrazvukové senzory:Obvykle pracují nad 20 kHz a využívají piezoelektrickou keramiku pro přenos a příjem ultrazvukových vln, vhodné pro aplikace jako měření vzdálenosti (např. parkovací senzory) a detekce průtoku. V lékařských ultrazvukových zobrazovacích zařízeních dosahují uspořádané piezoelektrické senzory rozlišení na úrovni milimetrů-.
II. Senzory založené na elektromagnetické indukci-
Ty generují elektrické signály prostřednictvím změn magnetického pole, především včetně:
1. Pohyblivé-cívkové mikrofony:Zvukové vlny pohánějí cívku, aby vibrovala v permanentním magnetickém poli a přerušovala čáry magnetického toku a generovala proud. Jejich široký dynamický rozsah z nich dělá běžnou volbu pro profesionální nahrávací zařízení.
2. Elektromagnetické snímače:Snímače cívky používané v nástrojích, jako jsou kytary, mění sílu magnetického pole prostřednictvím vibrujících kovových strun pro výstup zvukových signálů.
III. Optické zvukové senzory
Používejte bez{0}}kontaktní detekční technologie, jako jsou:
1. Laserové vibrometry:Měřte povrchové vibrace pomocí Dopplerova jevu, vhodného pro prostředí s vysokou-teplotou nebo silným elektromagnetickým rušením. Průmyslově se používá k detekci abnormálních akustických vln způsobených mechanickými poruchami.
2. Akustické senzory z optických vláken:Využijte vlastnosti, že zvukové vlny mění index lomu optických vláken, což umožňuje distribuované akustické monitorování. Tato technologie se používá pro detekci netěsností ropovodů.
IV. Kapacitní zvukové senzory
Zvukové vlny, které se skládají z pohyblivé desky a pevné desky tvořící kapacitní strukturu, mění vzdálenost desek, čímž mění hodnotu kapacity. Do této kategorie patří mikrofony MEMS, které dosahují odstupu signálu-k{2}}šumu přesahujícímu 70 dB. Jiný typ, křemíkový mikrokapacitní mikrofon, využívá polovodičové procesy k výrobě miniaturních vzduchových dutin, takže je vhodný pro lékařská auskultační zařízení.
V. Odporové zvukové snímače
Klasickým příkladem jsou uhlíkové-granulové mikrofony. Akustický tlak mění kontaktní odpor uhlíkových granulí, čímž moduluje proud. Ačkoli vykazují špatné charakteristiky frekvenční odezvy, jejich jednoduchá struktura a nízká cena je učinily široce používanými v raných telefonech.
VI. Nové inteligentní senzory
Technologický pokrok vedl ke vzniku hybridních senzorů integrujících několik technologií:
1. Moduly rozpoznávání hlasového otisku AI:Integrace čipů DSP a algoritmů hlubokého učení analyzuje specifické vlastnosti hlasového otisku v reálném čase pro inteligentní bezpečnostní systémy. Akustické modely poskytované Baidu AI Open Platform dosahují 98% přesnosti.
2. Více-parametrové senzory prostředí:Současně detekuje zvuk, teplotu, vlhkost a další parametry. Příkladem mohou být terminály pro monitorování hluku v chytrých městech, které nahrávají data o decibelech do cloudových platforem prostřednictvím sítí 4G.
Porovnání aplikačních scénářů
| Typ snímače | Citlivost | Náklady | Typické aplikační scénáře |
| MEMS mikrofon | Vysoký | Nízký | Chytré telefony, chytré reproduktory |
| Dynamický mikrofon | Střední | Střední | Jevištní představení, záznamy vysílání |
| Ultrazvukový senzor | Extrémně vysoká | poměrně vysoká | Lékařská ultrasonografie, průmyslové ne{0}}destruktivní testování |
| Vláknový-optický akustický senzor | Extrémně vysoká | Vysoký | Monitorování ropovodů a plynovodů, včasná výstraha ochrany hranic |
Trendy technologického vývoje
1. Miniaturizace a integrace:Výrobci jako TSMC představili mikrofonní čipy MEMS v pouzdrech 3 mm × 2 mm s budoucím potenciálem pro integraci SoC senzorů a procesorů.
2. Posílení umělé inteligence:Rámce, jako je PaddlePaddle od Baidu, podporují nasazení akustického modelu{0}}na straně okrajů, což umožňuje senzorům s funkcemi edge computingu. Například detektory dětského pláče mohou lokálně analyzovat akustické spektrální vlastnosti do 200 ms.
3. Technologie vlastního-napájení:Piezoelektrické-triboelektrické hybridní senzory společnosti Georgia Tech využívají vibrační energii okolního prostředí, takže jsou ideální pro zařízení uzlů internetu věcí.
Při výběru zvukových senzorů komplexně vyhodnoťte parametry včetně frekvenčního rozsahu (lidský sluch v rozsahu 20Hz-20kHz), citlivosti (dB/V) a poměru signálu-k šumu. Průmyslové aplikace navíc vyžadují pozornost na stupeň ochrany (např. odolnost proti prachu a vodě IP67) a teplotní adaptabilitu (pracovní rozsah -40 stupňů až 85 stupňů). S rozšiřováním technologií 5G a AIoT se zvukové senzory vyvíjejí od jednoduchého získávání signálu k inteligentním systémům vnímání.