声波接收的基本原理

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声学测量是声学研究的基本手段，而声波的接收是声学测量的基础和首要环节。在空气媒质中最常用的接收声波的传感器称为传声器（microphone，俗称麦克风）。传声器的振膜在声场中由于受到声波产生的力的作用而振动，然后通过某种力电换能方式将此振动转换为输出电信号。

为了测量声场中某一点的声压，必须将传声器置于该点。在声场中，传声器相当于一个弹性体，由于该障碍物的存在，入射声波在此会发生散射。因此，由于传声器的放置使原来的声场受到干扰而发生畸变，传声器实际接收到的声波是已经畸变了的声波。为了了解发生畸变的原因和畸变后声场的规律，在研究声接收原理时还必须掌握障碍物对声波散射的规律。障碍物引起的声散射现象很复杂，通常先假定传声器对声场不产生畸变，然后再考虑障碍物对声波接收特性的影响。利用散射引起的压强增量曲线可以对测量传声器引起的声场畸变作修正。

一般传声器常用来接收声场中某点的声压。接收声波的原理有四种：

  · 压强式；
  · 压差式；
  · 压强与压差复合式；
  · 多声道干涉式。

在声学测量中测量精度较高的通常是压强式。因此，本文只讨论压强式传声器的声接收原理。

压强式传声器对声压的压强发生响应。它的结构很简单：在一密封腔上固定一个受声振膜（如图1）。空腔上有一小孔，它使腔内平均压强与周围大气压强保持平衡。当此装置放于空间时，如果声场不存在则腔内外压强相同，作用在膜片上的合力等于零；如有声波入射，则振膜在腔外的一面受到声压p 的作用，假设振膜的面积为S，接收时对声场扰动不大，而膜片上声压是均匀分布的，则振膜上就产生合力

式中，P0 为周围大气静压强。在此力的作用下，振膜产生振动，通过力电换能器，振动转换为输出电信号。因此，测量这个输出电信号就可以求出声场中对应的声压。

如果声波斜入射到振膜，且振膜尺度与声波波长尺度相当，则作用在振膜各部分声压的振幅和相位也不相同。此时振膜受到的合力为

式中，p 为作用于振膜某点的声压。

图1 压强式传声器结构示意图

假定振膜为圆形，其半径为a。入射声波来自较远的点声源，则声压为

式中，A 为常数，与声源强度成正比；r 为观察点与点声源的距离。

若声波以角θ 斜入射，则

式中，S=πa2 为膜片面积，J1为一阶贝塞尔函数。

由上式可知，作用到传声器上的合力与声波入射方向有关，也就是说，传声器具有指向性。当ka=2πa/λ<1时，上式近似为

这时传声器就没有指向性了。因此，利用压强原理做成的测量传声器在低频率时常常是无指向性的。

来源：节选自《声学测量》，作者：陈克安 曾向阳 李海英。