Jakie są różne typy czujników dźwięku?

Czujniki dźwięku, jako urządzenia przetwarzające sygnały akustyczne na sygnały elektryczne, znajdują szerokie zastosowanie w automatyce przemysłowej, inteligentnych domach, diagnostyce medycznej i innych dziedzinach. W oparciu o zasadę działania i cele wykrywania czujniki dźwięku dzieli się przede wszystkim na następujące kategorie:

I. Czujniki piezoelektryczne

Piezoelektryczne czujniki dźwięku wykorzystują właściwości materiałów takich jak kwarc i ceramika. Kiedy ciśnienie akustyczne działa na powierzchnię materiału, powoduje zmiany ładunku elektrycznego, generując w ten sposób sygnał elektryczny. Czujniki te oferują wysoką czułość i szerokie pasmo przenoszenia, w typowych zastosowaniach, w tym:

1. Mikrofony:Mikrofony pojemnościowe elektretowe (ECM) wykorzystują spolaryzowaną folię elektretową jako membranę, co zapewnia niski koszt i niewielkie rozmiary, co czyni je szeroko stosowanymi w elektronice użytkowej. Mikrofony MEMS integrują miniaturowe struktury pojemnościowe za pomocą procesów półprzewodnikowych, charakteryzując się silnymi właściwościami przeciw-zakłóceniom i doskonałą spójnością, powszechnie spotykaną w smartfonach.

2. Czujniki ultradźwiękowe:Zwykle pracując z częstotliwością powyżej 20 kHz, wykorzystują one ceramikę piezoelektryczną do przesyłania i odbierania fal ultradźwiękowych, co nadaje się do zastosowań takich jak pomiar odległości (np. czujniki parkowania) i wykrywanie przepływu. W medycznym sprzęcie do obrazowania ultradźwiękowego rozmieszczone w układzie czujniki piezoelektryczne osiągają rozdzielczość na poziomie milimetra.

II. Czujniki wykorzystujące indukcję elektromagnetyczną-

Generują one sygnały elektryczne poprzez zmiany pola magnetycznego, obejmujące przede wszystkim:

1. Mikrofony z ruchomą-cewką:Fale dźwiękowe wprawiają cewkę w drgania w stałym polu magnetycznym, przecinając linie strumienia magnetycznego w celu wytworzenia prądu. Ich szeroki zakres dynamiki sprawia, że ​​są one częstym wyborem w przypadku profesjonalnego sprzętu rejestrującego.

2. Przetworniki elektromagnetyczne:Przetworniki cewkowe stosowane w instrumentach takich jak gitary zmieniają siłę pola magnetycznego poprzez wibrujące metalowe struny w celu wyprowadzenia sygnałów audio.

III. Optyczne czujniki dźwięku

Stosuj-bezkontaktowe technologie wykrywania, takie jak:

1. Wibrometry laserowe:Mierz drgania powierzchni za pomocą efektu Dopplera, odpowiedni dla środowisk o wysokiej-temperaturze lub silnych zakłóceniach elektromagnetycznych. Stosowany w przemyśle do wykrywania nieprawidłowych fal akustycznych spowodowanych awariami mechanicznymi.

2. Światłowodowe czujniki akustyczne:Wykorzystaj właściwość polegającą na tym, że fale dźwiękowe zmieniają współczynnik załamania światła światłowodów, umożliwiając rozproszony monitoring akustyczny. Technologię tę wykorzystuje się do wykrywania nieszczelności rurociągów naftowych.

IV. Pojemnościowe czujniki dźwięku

Fale dźwiękowe, składające się z ruchomej płyty i nieruchomej płyty tworzącej strukturę pojemnościową, zmieniają odstęp między płytami, zmieniając w ten sposób wartość pojemności. Mikrofony MEMS należą do tej kategorii, osiągając stosunek sygnału-do-szumu przekraczający 70 dB. Inny typ, krzemowy mikrofon mikropojemnościowy, wykorzystuje procesy półprzewodnikowe do wytwarzania miniaturowych wnęk powietrznych, dzięki czemu nadaje się do medycznych urządzeń osłuchowych.

V. Rezystancyjne czujniki dźwięku

Klasycznym przykładem są mikrofony-z granulatem węglowym. Ciśnienie akustyczne zmienia rezystancję styku granulek węgla, modulując w ten sposób prąd. Chociaż wykazywały słabą charakterystykę odpowiedzi częstotliwościowej, ich prosta konstrukcja i niski koszt sprawiły, że były szeroko stosowane we wczesnych telefonach.

VI. Nowe inteligentne czujniki

Postęp technologiczny doprowadził do pojawienia się czujników hybrydowych integrujących wiele technologii:

1. Moduły rozpoznawania głosu AI:Integrując chipy DSP i algorytmy głębokiego uczenia, analizują one w czasie rzeczywistym określone cechy głosu na potrzeby inteligentnych systemów bezpieczeństwa. Modele akustyczne dostarczane przez Baidu AI Open Platform osiągają dokładność na poziomie 98%.

2. Wieloparametrowe czujniki środowiskowe:Jednoczesne wykrywanie dźwięku, temperatury, wilgotności i innych parametrów. Przykładami są terminale do monitorowania hałasu w inteligentnych miastach, które przesyłają dane w decybelach do platform w chmurze za pośrednictwem sieci 4G.

Porównanie scenariuszy zastosowań

Trendy rozwoju technologicznego

1. Miniaturyzacja i integracja:Producenci tacy jak TSMC wprowadzili chipy mikrofonowe MEMS w obudowach 3 mm × 2 mm, z przyszłym potencjałem integracji czujników i procesorów SoC.

2. Wzmocnienie sztucznej inteligencji:Struktury takie jak PaddlePaddle firmy Baidu obsługują wdrażanie-bocznych modeli akustycznych na krawędzi, umożliwiając czujnikom korzystanie z możliwości przetwarzania brzegowego. Na przykład czujniki płaczu niemowląt mogą lokalnie analizować cechy widma akustycznego w ciągu 200 ms.

3. Technologia-samozasilania:Piezoelektryczne-tryboelektryczne czujniki hybrydowe firmy Georgia Tech wykorzystują energię wibracji otoczenia, dzięki czemu idealnie nadają się do urządzeń węzłów IoT.

Wybierając czujniki dźwięku, należy kompleksowo ocenić parametry, w tym zakres częstotliwości (rozpiętość ludzkiego słuchu 20 Hz-20 kHz), czułość (dB/V) i stosunek sygnału-do szumu. Zastosowania przemysłowe wymagają dodatkowo zwrócenia uwagi na stopień ochrony (np. odporność na kurz i wodę IP67) oraz możliwość dostosowania do temperatury (zakres pracy od -40 stopni do 85 stopni). Wraz z rozprzestrzenianiem się technologii 5G i AIoT czujniki dźwięku ewoluują od prostego pozyskiwania sygnału do inteligentnych systemów percepcyjnych.