Zvukové senzory, ako zariadenia, ktoré premieňajú akustické signály na elektrické signály, nachádzajú rozsiahle uplatnenie v priemyselnej automatizácii, inteligentných domoch, lekárskej diagnostike a ďalších oblastiach. Na základe princípov fungovania a cieľov detekcie sú zvukové senzory primárne rozdelené do nasledujúcich kategórií:
I. Piezoelektrické snímače
Piezoelektrické zvukové snímače využívajú vlastnosti materiálov ako kremeň a keramika. Ak akustický tlak pôsobí na povrch materiálu, vyvoláva zmeny elektrického náboja, čím sa generuje elektrický signál. Tieto snímače ponúkajú vysokú citlivosť a širokú frekvenčnú odozvu s typickými aplikáciami vrátane:
1. Mikrofóny:Elektretové kondenzátorové mikrofóny (ECM) používajú ako membránu polarizovaný elektretový film, ktorý ponúka nízku cenu a kompaktnú veľkosť, vďaka čomu sú široko používané v spotrebnej elektronike. Mikrofóny MEMS integrujú miniatúrne kapacitné štruktúry prostredníctvom polovodičových procesov, vyznačujúce sa silnými-schopnosťami proti rušeniu a vynikajúcou konzistenciou, ktoré sa bežne vyskytujú v smartfónoch.
2. Ultrazvukové snímače:Zvyčajne pracujú nad 20 kHz a využívajú piezoelektrickú keramiku na vysielanie a prijímanie ultrazvukových vĺn, vhodné pre aplikácie ako meranie vzdialenosti (napr. parkovacie senzory) a detekcia prietoku. V lekárskych ultrazvukových zobrazovacích zariadeniach dosahujú usporiadané piezoelektrické snímače rozlíšenie na úrovni milimetra-.
II. Senzory na báze elektromagnetickej indukcie-
Tieto generujú elektrické signály prostredníctvom zmien magnetického poľa, najmä vrátane:
1. Pohyblivé-cievkové mikrofóny:Zvukové vlny poháňajú cievku, aby vibrovala v rámci permanentného magnetického poľa, pričom prerezávajú čiary magnetického toku a vytvárajú prúd. Ich široký dynamický rozsah z nich robí bežnú voľbu pre profesionálne nahrávacie zariadenia.
2. Elektromagnetické snímače:Snímače cievky používané v nástrojoch, ako sú gitary, menia silu magnetického poľa prostredníctvom vibrujúcich kovových strún na výstup zvukových signálov.
III. Optické snímače zvuku
Využívajte technológie bez{0}}kontaktnej detekcie, ako napríklad:
1. Laserové vibrometre:Merajte povrchové vibrácie pomocou Dopplerovho efektu, ktorý je vhodný pre vysoké-teploty alebo prostredia so silným elektromagnetickým rušením. Priemyselne sa používa na detekciu abnormálnych akustických vĺn spôsobených mechanickými poruchami.
2. Akustické senzory z optických vlákien:Využite vlastnosť, že zvukové vlny menia index lomu optických vlákien, čo umožňuje distribuované akustické monitorovanie. Táto technológia sa používa na detekciu netesností ropovodu.
IV. Kapacitné zvukové senzory
Zvukové vlny, ktoré pozostávajú z pohyblivej dosky a pevnej dosky tvoriacej kapacitnú štruktúru, menia rozstup dosiek, čím menia hodnotu kapacity. Do tejto kategórie patria mikrofóny MEMS, ktoré dosahujú pomer signálu-k{2}}šumu presahujúci 70 dB. Iný typ, silikónový mikrokapacitný mikrofón, využíva polovodičové procesy na výrobu miniatúrnych vzduchových dutín, vďaka čomu je vhodný pre lekárske auskultačné zariadenia.
V. Odporové zvukové snímače
Klasickým príkladom sú uhlíkové-granulové mikrofóny. Akustický tlak mení kontaktný odpor uhlíkových granúl, čím moduluje prúd. Hoci vykazovali slabé charakteristiky frekvenčnej odozvy, ich jednoduchá štruktúra a nízka cena ich urobili široko používanými v raných telefónoch.
VI. Nové inteligentné senzory
Technologický pokrok viedol k vzniku hybridných senzorov, ktoré integrujú viaceré technológie:
1. Moduly rozpoznávania hlasových odtlačkov AI:Integrácia čipov DSP a algoritmov hlbokého učenia analyzuje špecifické charakteristiky hlasovej tlače v reálnom čase pre inteligentné bezpečnostné systémy. Akustické modely poskytované Baidu AI Open Platform dosahujú presnosť 98 %.
2. Viac{1}}parametrové senzory prostredia:Súčasne zisťuje zvuk, teplotu, vlhkosť a ďalšie parametre. Príkladom sú terminály na monitorovanie hluku v inteligentných mestách, ktoré nahrávajú decibelové údaje do cloudových platforiem cez 4G siete.
Porovnanie aplikačných scenárov
| Typ snímača | Citlivosť | náklady | Typické aplikačné scenáre |
| MEMS mikrofón | Vysoká | Nízka | Smartfóny, inteligentné reproduktory |
| Dynamický mikrofón | Stredný | Stredný | Javiskové predstavenia, záznamy vysielania |
| Ultrazvukový senzor | Mimoriadne vysoká | relatívne vysoká | Lekárska ultrasonografia, priemyselné ne{0}}deštruktívne testovanie |
| Vláknový-optický akustický senzor | Mimoriadne vysoká | Vysoká | Monitorovanie ropovodov a plynovodov, ochrana hraníc včasné varovanie |
Trendy technologického rozvoja
1. Miniaturizácia a integrácia:Výrobcovia ako TSMC predstavili mikrofónové čipy MEMS v baleniach 3 mm × 2 mm s budúcim potenciálom pre integráciu SoC senzorov a procesorov.
2. Posilnenie AI:Rámce, ako napríklad PaddlePaddle od Baidu, podporujú nasadenie akustického modelu-na bočnej strane, čím umožňujú senzory s funkciami edge computingu. Detektory detského plaču môžu napríklad lokálne analyzovať akustické spektrálne vlastnosti do 200 ms.
3. Technológia vlastného-napájania:Piezoelektrické-triboelektrické hybridné senzory spoločnosti Georgia Tech využívajú energiu vibrácií prostredia, vďaka čomu sú ideálne pre zariadenia uzlov internetu vecí.
Pri výbere zvukových senzorov komplexne vyhodnoťte parametre vrátane frekvenčného rozsahu (ľudský sluch v rozsahu 20 Hz-20 kHz), citlivosti (dB/V) a pomeru signálu- k šumu. Priemyselné aplikácie si navyše vyžadujú pozornosť na krytie (napr. IP67 odolnosť proti prachu a vode) a teplotnú adaptabilitu (prevádzkový rozsah -40 stupňov až 85 stupňov). S rozširovaním technológií 5G a AIoT sa zvukové senzory vyvíjajú od jednoduchého získavania signálu k inteligentným systémom vnímania.