什么是电声换能器?

什么是电声换能器?

[拼音]：diansheng huannengqi

[外文]：electroacoustic transducer

将电信号能量转换成相应的声信号能量或将声信号能量转换成相应的电信号能量的器件。在绝大多数的电声换能器中，能量的转换过程是：对于将电能转换成声能的换能器，是将电信号转换成机械振动，然后由机械振动产生声波；对于将声能转换成电能的换能器，则是将声信号转换成机械振动后再转换成电信号。

电机械换能器

按能量转换的机理来分，主要有下列5种。

（1）电动换能器:利用在恒磁场中运动导体的电磁感应原理而制成的换能器。

（2）电磁换能器：主要由固定于磁路中的导线圈和可振动的部分（如膜片、衔铁）所组成。交变电流通过线圈时产生交变磁通量，使磁路可振动部分受力发生变化而振动。反之，磁路可动部分振动时，使磁路的磁阻发生变化，于是通过线圈的磁通也相应变化而在线圈内感生电动势。单向极化磁通量使换能器工作有与信号成正比的线性部分。

（3）静电换能器：这种换能器的结构基本上是个电容器，固定的金属极板与可振动的导电膜片组成电容器的两个极板，并在两极板间加恒定的极化电压使电容器带电。当膜片振动时电容量发生变化，两极板间的电压也随之改变。反之，当两极板间的电压发生变化时，极板间的静电力发生变化，从而使膜片振动。

（4）压电换能器：利用具有压电效应的材料制成。压电效应较强的天然晶体有石英、酒石酸钾钠等。压电换能器广泛使用钛酸钡和锆钛酸铅等压电陶瓷材料。从发展趋势看，高分子压电材料(如聚偏氟乙烯)是制作压电换能器的一种新型材料。

（5）磁致伸缩换能器：利用具有磁致伸缩特性的铁磁材料制成。在磁场中，这类材料由于振动产生形变而使磁通量改变，从而使绕在其上面的线圈产生电动势。它的逆过程是磁通量发生变化使铁磁材料形变而产生应力的变化。这种换能器常用作共振换能器，以提高效率。常用的磁致伸缩材料有镍及其合金或镍铁氧体。

以上所述电机械换能器的能量转换是可逆的。还有一类换能器是不可逆的，其中应用最多的是变阻换能器，如电话中的碳粒送话器。在半导体PN结附近施加局部压力的变化，会引起流过PN结电流的变化。利用这种原理做成的换能器称为压电结型换能器。通常是使压力通过细针加在PN结上。这样，可以获得很灵敏的换能作用。但它因结构上的困难还只用于应变计。

激光换能器和光导纤维换能器是新出现的两种换能器。它们是应用光干涉仪的原理或光强度调制的方法制成的。有一种光调制的方法是利用声光作用，使光束通过声光作用元件，光束在声场的作用下经受调制；另有一种方法是让光束通过光导纤维射到振动靶上，使反射光束受到调制，其强度与振动靶的位移成正比，受调制的光束再转换成电输出。

常用的电声换能器

常用电声换能器有送话器和受话器、扬声器、传声器、超声换能器和水声换能器等。

送话器和受话器

专供语言通信用的电声换能器。在电话机中大量应用碳粒送话器，其结构是接收声波的膜片与碳粒盒中的碳粒相接触，膜片受声波作用发生振动，使碳粒间的压力发生变化而改变碳粒间的电阻。碳粒多采用提纯过的无烟煤。碳粒送话器结构简单、价格低廉，并有较大的电输出。电话机中常用受话器是电磁换能器，主要由振膜，与振膜相连接的衔铁、磁铁、极靴和线圈组成。其他类型的换能器，如电动送话器、电磁送话器、压电送话器和电动受话器也有应用。

扬声器

主要用在可听声频率范围内，它将电信号转换成声信号，并把它辐射到周围空间。按声辐射的方式，扬声器可分为直接辐射式和喇叭式两种。直接辐射式电动扬声器由处在磁路系统中称为音圈的导体线圈及其支撑，以及与音圈相连接的锥形或球项形的振膜组成。信号电流流过音圈时，音圈受力而振动，并推动振膜振动而辐射声波。这种扬声器结构紧凑、性能好，仍在大量应用。在扬声器上加上喇叭即构成喇叭式扬声器，可以提高扬声器的效率，并且具有较强的声辐射指向性。平板扬声器（用复合材料做成平板振膜）是一种新型的扬声器。对于高音质的扬声器系统，常把所要放声的宽频带分成二个或三个频段，分别用几只扬声器发声，则称为扬声器组合。但在输入端必须有分割网络，把电信号按频段分别送给各扬声器。一般采用直接辐射式电动扬声器辐射中频和低频声，但也有低频扬声器加喇叭。高频声的辐射也多采用电动式扬声器，高频扬声器也采用静电扬声器或压电扬声器。

将电信号直接转换成空气振动发声的扬声器是离子声扬声器，由一个石英做的容器与辐射声波的喇叭相连接。石英容器中有电极，在其上加上几十兆赫的射频高电压，使其中空气电离，电信号以振幅调制的方式调制到射频电压上。由于离子放电的变化，石英容器中空气的温度和压强随信号而发生变化，因而产生声波通过喇叭而辐射出来。这种扬声器没有机械振动系统，所以性能良好，但构造和使用都比较复杂。

传声器

主要用在可听声频频率范围内，它将声信号转变成电信号。在一般扩声系统中，大多采用电动式传声器。在广播、录声技术中所用的高质量传声器，有电动动圈式传声器、带式传声器和电容传声器。带式传声器属电动类型、薄而轻的金属带置于恒磁系统的磁场中。金属带既是可通信号电流的导体，又是接收声波的器件。由于铝带两面均受声波作用，总受力与声波在这两方面的声压之差有关。因此，这种类型的传声器称为压差传声器。膜片一面接收声波的传声器，由于膜片受力与声压成正比，则统称为压强传声器。

静电换能类型的电容传声器，是现代使用最广的高质量传声器。电容传声器的性能好而且稳定，也是用于声学测量的标准传声器。另一种形式的电容传声器是驻极体传声器。驻极体材料使用聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等，以适当的方式极化后可在其表面上保持表面电荷。将极化过的驻极体膜作为电容传声器的振膜或放在固定极板上，可产生电场以代替一般电容传声器所需要的外加极化电压。这样，在构造和使用上都较为简单。

超声换能器

用于超声波范围的电声换能器，主要是压电陶瓷换能器。压电陶瓷片可按用途做成各种形状，如棒、片和圆环。片或薄壳形状常用厚度方向的振动。利用共振现象可使换能器工作在振动系统的一个固有频率上，以提高换能效率。超声换能器也有用磁致伸缩材料的，一般是共振式，工作频率可达几万赫。这种换能器坚固、可靠，其辐射声功率可达 20瓦／厘米2或更大。在许多应用中，超声换能器和变幅杆连结使用，以提高工作的效能。

水声换能器

用于水下工作。其中接收水声信号的换能器又称为水听器。压电陶瓷是在现代水声技术中应用最广的电声换能器材料。磁致伸缩换能器也有采用。作为发射低频水声信号用的换能器，也有采用电动式的。用高分子压电材料做成的水听器和光导纤维水听器也获得了发展。水声换能器在设计和结构上必须考虑在水中工作的特点，如减小水中空化作用所产生的空气泡对水声发射换能器工作的影响。对在深水中工作的换能器来说，还须采取一些措施，如充油或充水的液腔，以便保持换能器中静水压的平衡。在声纳中，常将换能器排列成阵，以便获得所需的强指向性与大功率的声辐射。