关于声音传感器的研究报告

华南师范大学增城学院课程大作业关于声音传感器的研究报告课 程 名 称 传感器与检测技术 考 查 学 期 2012/2013 学年 第二学期 系 别 计算机系 专 业 应用电子 2班 年 级 2010 级 学 号 201008014168 姓 名 lzdldx 成 绩 指 导 老 师 文哲雄 传感器原理及应用课程大作业 lzdldx12013年 6 月 9 日 摘要：无线传感器网络是集成了传感器技术、计算机技术和无线通信技术的一种新型的网络。它是获取外部环境的物理信息的一种有效的方法。可以工作在恶劣的环境下，获取人们自身无法得到的信息。本文主要介绍了传感器网络的基本概念、特点和应用。还有声音传感器节点的具体设计。关键词：声音传感器 无线传感器 光纤传感器 发展 科技引言：孩堤时代，我们总幻想着自己能像阿里巴巴一样，喊一声“芝麻开门”就能打开通往宝藏之门。对于“芝麻开门”神奇的咒语力量，感到非常好奇与憧憬，其实这就是用语音开门的情景，这种能随心所欲控制自动门的强烈欲望，几百年来已深深铭刻入亿万天真儿童的心里。人们渴望着有朝一日也能像童话故事中描述的一样，说声“芝麻开门”或其它想说的话，便能打开自家的门，以及社区、学校和单位的大门。那个遥远的梦想现已慢慢走近我们的生活。传感器原理及应用课程大作业 lzdldx2一、声音传感器的基本介绍：传感器的定义：传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。按照 Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件” ，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字 )能力的系统” 。传感器的能量转换：有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程) 的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。声音传感器的定义：声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。信号的传输方式：电路把信号放大并把信号传送给英国电讯接口。实际上，信号通过 2 条不同的线送达数据采集器。一个信号通过低电压输入线，在 2。5V 左右，另一信号通过电压输入线，在0V 左右。这就是最简单的声音传感器麦克风的原理图：传感器原理及应用课程大作业 lzdldx3TR40RS 防水型超声波传感器 和 7000 系列超声波传感器二、声音传感器的应用：声响传感器在军事上的应用：声响传感器目前已在地面传感器侦察监视系统中广泛应用，其最大优点是分辨力强。如果运动目标是人员，则不仅可以直接听到声音，而且还能根据话音察明其国籍、身份和谈话内容；如果运动目标是车辆，则可根据声响判断车辆种类。如美国陆军使用的一种可悬挂在树上的被称为“音响浮标”的装置探测距离 300400 米，接近人的听觉范围。声响传感器在医疗上的应用：光纤麦克风具有对磁场的天然的抗干扰能力，可以应用于核磁共振成像的通信，是唯一在核磁共振成像扫描时可以在病人和医生之间进行通讯的麦克风。声响传感器在生活上的应用：音响入侵探测器： 除了可用于门户的入口控制以外，还可用来监控入侵者出现的区域。其突出优点是，它可用来鉴别引起报警的原因。此外，声音传感器在汽车防盗及航空探测等方面都有涉及，声音传感器的对声纳系统的改进也贡献不小。各式各样的声控开关也大放异彩。日本研制开发出一种声控电视机，可储存两个人的声控指令，包括开机工作、转换频道、调换色彩以及关机等，都可以用声音指令进行控制。传感器原理及应用课程大作业 lzdldx4还有一种声控照明灯，内装有音频传感器。此时钟只要有人发出一种摩擦音 1 秒钟，其钟面上的照明灯就会自动点亮 8 秒钟时间。这种时钟的最大优点是在黑暗的房间里，人们可借助钟面上照明灯看清时间。日本还发明了一种能够根据声音而改变显示内容的液晶多功能数字电子手表。这种手表能识别主人发出的诸如今天几号、某人电话号码、自己的银行账号等询问声，并在液晶显示器上做出相应的提示。如果不是主人的声音，显示器就置之不理。法国研制出一种声控电话，它用声音识别器代替了号码盘，打电话者只需对着送话器报出受话人的电话号码，电话便可自动接通。手机的语音拨号功能与“芝麻开门”却有着异曲同工之妙，目前看来，基本上大多数手机都带有该项功能。语音拨号表面地来说就是摘机后手动指向手机语音拨号功能，说出被叫者姓名，电话即自动拔向被叫者。声音传感器在其中起了至关重要的作用。但由于现有技术的不完善，所以目前还不能做到让语音拨号随心所欲。但无论如何，随着传感器技术的迅速发展，以上困难将逐步被解决。先锋推出了一款音箱，可以说是专门给洗手间设计的。它内置了声音传感器，但有人过来的时候自动开始播放音乐，离开后会自动停止。拒绝打鼾手表装有非常敏感的声音传感器，当寻查到微小的鼾声时，手表就会产生震动，就像是有人在轻轻地推您，直到鼾声完全停止。 传感器原理及应用课程大作业 lzdldx5这台机器人“哆啦 A 梦 ”装有可以感知接触和明暗的传感器、能预测摔倒的倾斜传感器、声音传感器等 10 个以上的传感器。如果你轻轻抚摸它的头部，它会高兴地说“你一定是有好事了！”如果你用力敲打它的话，它就会愤怒地说出“可恶！不要！” “哆啦 A 梦”可以表达丰富的感情，当你吃饭时，它就会说“肚子好饿！”当你过生日的时候， “哆啦A 梦”会给你唱生日歌，并对你说 “Happy Birthday To You”。乐器扩音器：最佳的声源是音叉，但也许你想研究人类的声音、口哨、电子键盘以及其他的乐器。可尝试比较不同的声源的波形。也可尝试用 2 种频率几乎相同的声音来产生音拍的波形图。请对声音强弱进行调整，使得能产生最佳的波形。如果声音太大，在波形的顶部或底部就会产生波形“缺失”现象。把声音传感器离声源稍远些，并把音量调得稍低些。声音传感器在工业上的应用：声波传感器：用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用传感器原理及应用课程大作业 lzdldx6于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用锆钛酸铅 PZT 压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，即在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离。可在汽车危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。为获得高发射效率和接收灵敏度，发射接收全并在一起的超声波传感器是目前市场上的主流产品，具有很高的发射效率、接收灵敏度及尖锐的指向性。超声波有一定的探测角度和范围，可覆盖汽车后部整个区域。用于汽车电控悬架系统直接计测车身底盘与路面距离的超声波传感器正在研制之中。超声波传感器还被用于空气流量计，检测发动机进气量大小。欧洲缝纫设备： 生产厂家大部分已采用电子检测仪器。声响实验室采用双声响回收仪，以分辨直接声源和返回声源，检验何处是机器最大声源的产生处。与我国声响检测不同，声响仪用传感器测定零部件受力大小、振动大小。丹麦 HMS1820/CTD声速剖面仪：HMS1820/CTD 是一套完整的 CTD 测量和数据记录仪器。HMS1820/CTD 可由钢缆中的电缆直接读取所有参数，这些参数值按预设间隔自动采集。HMS1820/CTD 的存贮量大，可达 2000 次数据读取。HMS1820-H 手持终端可作为数据记录仪存取数据以便检查，还可以将数据转入 PC 机。声音传感器在领海方面的应用：英国 AQUA 深水 CTD：采用金属钛作为外壳，可在 6000m 深度范围内进行电导、温度、深度测量。仪器可安装在水下拖载工具上，也可安装在浮标、系锚设备上，还可作垂直剖面测量。数据记录可采用自容式记录或实时数据采集，数据也可传至 PC 机上进行编辑、存储。仪器设计牢固，具有小巧、轻便、高稳定性、低功耗的特点。传感器原理及应用课程大作业 lzdldx7英国 ABS 三频声学测沙仪：ABS 声学反射传感器同时发射 3 个不同频率的声脉冲，以 1cm 的采样间隔采集反射回声，从而获得 128cm 或 256cm 范围内的反射系数，以此确定该断面上（沉积）悬浮物的浓度及粒度。由于采用了多频信号处理，因而能区分不同浓度和不同粒度之间的关系。丹麦 HMS1820-验潮仪：HMS1820 是一种采用压力或声学传感器进行潮位测量的数据自动采集系统。系统为完全自容式记录，根据设定，可自动按固定时间间隔记录或按时间事件记录潮位。存储的数据可以输出到计算机或手持终端。此外，还可通过无线电或电话线进行遥控数据采集，该产品已在我国沿海海域得到了广泛应用。 美国 MAVS-3 深水 3 轴声学多参数测流仪:MAVS-3 是一种采用时间差分测量技术的 3 轴声学多参数测流计。测流计的 4 个声学探头提供平均流速向量值。可编程的分段记录和触发记录模式使测流计具有很大的灵活性。由于探头的几何尺寸小并应用了时间差分测量技术，MAVS-3 的分辨率及精度均是其它测流仪无法比拟的。因此，无论是在 2m/s 或 10cm/s 的量程中均能保持 0。03cm/s 的分辨率，精度达到 0。3cm/s。此外，仪器还能提供温度、电导、深度等参数，工作深度可达 6000米。传感器原理及应用课程大作业 lzdldx8丹麦 E-Sea Mag300-海洋磁力仪：是一种海洋全向拖曳式高精度磁力仪，采用最新 PC 技术，具有精度高、性能稳定、重量轻、搬运方便的特点。拖鱼采用非铁材料，高信噪比， 确保系统具有很高的分辨率。声响传感器在航天领域的应用：晶体式话筒：晶体的两面受到压力时，在两面间出现正负电荷，产生某一方向的电动势：当受到相反方向的应力时，晶体两面则产生与受压力相反的电荷和电动势。当晶体受到交变声波的作用时，便产生音频电动势。计算机模拟技术：模拟现实 ( Virtual Reality，简称 VR) 是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。其中虚拟世界为全体虚拟环境（Virtual Environment)或给定仿真对象的全传感器原理及应用课程大作业 lzdldx9体，它是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其虚境感觉的交互式视景仿真。因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。三、声音传感器的发展：声音传感器随着传感器的热潮而得到发展。八十年代初，日本、美国、俄罗斯等国家纷纷致力于该项发展，声音传感器的作用由最初的单一话筒功能到现在的可以接受声波，显示声音的振动图像，而且能对噪声的强度进行测量，甚至配合电脑和各种采集器一起使用；而声音传感器的精度也得到了很大的提高，现在市场上流行的有 1/8 英寸超小型精密传声器，动态范围高达 178dB。声音传感器的应用领域也在不断的扩展。从我们身边的声控路灯到最先进的机器人再到航天航空技术，声音传感器在现代科技领域中起着举足轻重的作用。传感器的形状与性能也在发生着巨大的变化，例如钥匙扣话筒、彩色话筒和遥控话筒。如图：光纤声音传感器：光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。光纤声音传感器 FOM MON2：几乎没有传感器能与光纤声音传感器在灵活性，多样性和性能方面更胜一筹。尤其在复杂的环境中，例如强电磁和放射性的领域， 外界的强电磁和静电能使许多感应器的功能失效甚至会毁坏它们。 由于 FOM 是一种无源器件并且不含电子或金属成分，它对电磁干扰反应不起任何的作用。FOM 基于独特的光纤传感器技术，一个光束通过光纤被传送到硅膜上，声音信号引起薄膜振动改变被反射的光的特征，然后被转换为电信号。光纤麦克风主要的性能叁数有：频率、信噪比(SNR)、灵敏度等。FOM MON2 可传送非常高声音质量，它具有低于 1 个赫兹和高达 10，000 赫兹的频率响应范围。而且 FOM 具很高的信噪比和小于 1%，总谐波失真（THD）的频率带宽。所有的这些特征和 FOM 的对振动的低敏感要求相结合产生真实的源声再现。FOM MON2 可在户外与户内操作，应用在特殊的温度和传感器原理及应用课程大作业 lzdldx10更高的频率范围条件下。它也能组成传感器阵列去应用，如声音定位等。FOM MON2 被设 计在需弯曲的完全范围的应用中，包括:在复杂的环境监听 (例如带电情况，油和气体位置探测，爆炸或高的射频)，RFI 测试中心和 EMI 中心。两种光纤传感技术的声音传感器一一光纤麦克风的传声技术强度型光纤麦克风和光纤光栅型麦克风，分别属于传光型和功能性光纤传感器，具有光纤传感器的优势强度型光纤麦克风采用了微电机系统 M E MS 结构的声振动换能器，灵敏度可调；光纤光栅声传感器采用温度补偿技术，适用于多种声音检测应用产品特点：1、非常宽的音频响应范围 0。5Hz10KHz；2、可以远距离（几十公里）传感、监控，可组成传感器阵列来应用；3、高灵敏度 500mv/pa，高信噪比 63dB；4、极小的体积、极轻的重量；5、优异的抗电磁干扰性能；6、高可靠性、使用寿命长；7、适用于极复杂的使用环境；主要应用领域有：1、声音监测、传感领域：海洋水声探测、危险气体泄露探测、噪声分析与研究、变压器运行状态声音监测、风暴来临前的次声探测等，可以用做声波生命探测仪、地震矿业煤矿救援时探测幸存者发出的声波所引起的振动，包括拍打、刻划及呼喊的具体位置等，可以用在强电磁场实验室、RFI 检测实验室、高 RFI 区域的声音传感、监测。2、医疗领域：2.1 光纤麦克风具有对磁场的天然的抗干扰能力，可以应用于核磁共振成像的通信，是唯一在核磁共振成像扫描时可以在病人和医生之间进行通讯的麦克风。2.2 水听器2.2.1 10CA 通用型：内置 26dB 前置放大器和线驱动器可用于长电缆传输。2.2.2 10CC 低噪声型：内置 10dB 前置放大器和线驱动器可用于长电缆传输。2.2.3 10CD 球形：具有良好的全向特性。2.2.4 10CE 宽带球形：适用于绝对（水）声测量和校准。2.2.5 10CF 小型：可用于一级和二级参考标准，还可用于其它高频水声测量。2.2.6 10CI 标准参考水听器：用于传感器、水听器和水下声学测量系统的校准。2.2.7 10CH 小型标准水听器：是高频标准水听器，适用于近场（水）声学测量。2.2.8 10CT 小型水听器：除在水中使用外，还可以作为潮湿等全天候户外传声器使用。另外，现在比较先进的光纤声音传感器是光纤水声传感器，这种实用新型涉及一种应用于潜艇、声纳系统的干涉型光纤水听器。其包括声屏蔽套筒，声屏蔽套筒一端设置有水听器主体，另一端设置有光纤连接器，水听器主体包括参考臂、配重片、刚性基座和信号臂，参考臂和信号臂通过连接轴连接，连接轴通过刚性基座设置在声屏蔽套筒上，参考臂位于声屏蔽套筒内，信号臂位于声屏蔽套筒外，配重片设置在参考臂外端，声屏蔽套筒两侧内壁上开有耦合器槽，耦合器槽内设置有耦合器，耦合器上引出有两根光纤，一根直接绕于参考臂上，另一根通过连接轴上的小槽导出声屏蔽套筒绕于信号臂上，光纤连接器通过密封盖设置在声屏蔽套筒上。其解决了目前的光纤水听器无法同时保较高的声压灵敏度和较低的加速度灵敏度的技术问题。该种产品对军事与民用都起着很重要的作用。 总之，声音传感器的发展从简单到复杂，从粗糙到精密，从只应用在试验中到逐渐扩展到生活、军事、航空等众多领域。它随着科技的发展而进步，科技也随着他的进步而发传感器原理及应用课程大作业 lzdldx11展，声音传感器的技术会不断迎来它的最高峰。声音传感器的产品及性能指标：传感器原理及应用课程大作业 lzdldx12四、声音传感器的前景：无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用前景。未来,传感器网络将向天空、海、陆地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式。微型、 高可靠、多功能、集成化的传感器，低功耗、高性能的专用集成电路，微型、大容量的能源， 高效、高可靠的网络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模式识别和数据融合算法，低功耗、自适应的网络结构，以及在现实环境的各种应用模式等课题是研究的重点。无线传感器网络技术涉及计算机、半导体、网络、通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众多领域。对该技术的深入研究将推动我国的信息化建设，并极大地带动相关产业禾口学科的发展，从而为国民经济带来新的增长点。由于无线传感器网络技传感器原理及应用课程大作业 lzdldx13术是应用性非常强的技术，国内在开展这方面的研究工作时一定要坚持需求牵引，面向具体应用， 不要走