一、引言

聲換能器（Sound Transducer）是一類能將電信號與聲能之間進行雙向轉換的機電器件。
在電子系統中，換能器既可作為輸入設備（如麥克風，用于聲音檢測），
也可作為輸出設備（如揚聲器，用于聲音生成）。

聲換能器的基本功能是將空氣中的聲波轉換為電信號，或將電信號再轉換為空氣振動，從而實現通信、測量與控制功能。

二、聲換能器的工作原理

2.1 基本能量轉換

聲換能器依賴兩種主要物理效應：

1. 電磁感應效應（Electromagnetic Induction）

• 用于動圈麥克風與動圈揚聲器。

• 聲波使導體線圈在磁場中運動，產生感應電壓或電流。

2. 壓電效應（Piezoelectric Effect）

• 用于晶體麥克風、蜂鳴器、超聲傳感器等。

• 壓電材料受機械壓力時產生電勢差，反之加電信號會引起機械形變。

兩者的方向可逆，因而同一結構可作為“傳感器”或“發聲器”使用。

三、麥克風（Microphones）——聲音輸入換能器

麥克風的作用是將空氣中的**聲壓波（Sound Pressure Wave）**轉換為相應的電信號。
常見麥克風類型及其結構如圖 1 所示（動圈式、駐極體、電容式等）。

3.1 動圈式麥克風（Dynamic Microphone）

• 原理：利用音膜帶動線圈在固定磁場中運動，依據法拉第電磁感應定律產生電壓。

• 結構：線圈 + 永磁體 + 振膜。

• 特點：

• 結構堅固、價格低廉；

• 不需外部電源；

• 頻響范圍廣；

• 靈敏度中等。

• 典型應用：舞臺、廣播、通用音頻采集。

圖 1 動圈式麥克風原理示意：聲波 → 振膜 → 線圈運動 → 感應電流。

3.2 電容式麥克風（Capacitor / Condenser Microphone）

• 原理：將聲音振動轉換為電容變化，再通過偏置電壓轉換為電信號。

• 結構：固定極板 + 可動膜片形成電容。

• 特點：

• 高靈敏度與寬頻響應；

• 需外加偏置電壓（通常 +48V Phantom Power）；

• 適用于精密錄音與測量應用。

• 缺點：易受濕度與溫度影響。

3.3 駐極體麥克風（Electret Microphone）

• 屬于電容式麥克風的變種。

• 在膜片上預存永久電荷，不需外部高壓偏置，僅需微小偏置供電。

• 優點：體積小、成本低、廣泛用于手機、筆記本、傳感模塊。

• 輸出需經場效應管（FET）緩沖。

3.4 壓電式麥克風（Piezoelectric Microphone）

• 利用壓電晶體在聲壓作用下產生電勢變化。

• 結構簡單、無需電源、成本極低。

• 缺點：頻響較窄，信號非線性。

• 應用：玩具、報警器、廉價通信設備。

四、揚聲器（Loudspeakers）——聲音輸出換能器

揚聲器的作用與麥克風相反：將電信號轉換為聲波。

4.1 動圈式揚聲器（Moving Coil Loudspeaker）

• 最常見的類型。

• 電流流經音圈后產生磁力，與固定磁場相互作用帶動紙盆（振膜）前后運動。

• 頻響范圍廣，音質自然。

• 由磁體、音圈、振膜與框架組成。

圖 2 動圈式揚聲器工作原理示意：電流方向改變 → 磁力方向反轉 → 振膜往復運動 → 聲波輻射。

4.2 壓電式揚聲器（Piezoelectric Sounder）

• 工作于壓電反效應原理。

• 典型結構為陶瓷片貼附于金屬基片上。

• 加交變電壓 → 陶瓷片周期形變 → 激發空氣振動。

• 優點：功耗低、結構小；

• 缺點：低頻響應差。

• 應用：蜂鳴器、報警器、電子表。

4.3 電磁式蜂鳴器（Electromagnetic Buzzer）

• 利用電磁鐵吸拉金屬振片形成周期性機械振動。

• 可由方波信號直接驅動。

• 多用于報警提示、狀態反饋。

五、超聲換能器（Ultrasonic Transducers）

超聲波換能器使用壓電陶瓷元件產生和檢測高頻聲波（>20kHz）。

• 典型應用：超聲測距、液位檢測、醫學成像、無損檢測。

• 驅動頻率：40kHz 常見；

• 發送與接收單元可獨立或組合為雙功能結構。

其核心方程為：

V=d33?FV = d_{33} cdot FV=d33?F

其中 d33d_{33}d33 為壓電常數，$F$ 為施加力。

EEPW 工程點評：現代超聲傳感器結合數字時序測量，可達毫米級精度，常與 MCU 模塊（如 STM32、ESP32）直接接口。

六、聲換能器的應用場景

七、現代發展與EEPW點評

1?? MEMS 聲學傳感技術

• 利用硅微加工工藝制造微型電容麥克風；

• 集成前置放大器與 ADC；

• 具備高信噪比（>65dB）與一致性。

EEPW 點評：MEMS 技術使聲學傳感進入芯片級集成時代，為 AI 語音、可穿戴設備、智能音箱奠定基礎。

2?? 數字音頻接口集成

• I2S / PDM / TDM 接口成為麥克風與處理器的標準連接方式；

• 取代傳統模擬信號鏈，簡化 EMC 設計。

3?? 聲學能量采集與逆向應用

• 壓電換能器除作為發聲器，還能實現能量回收（如機械振動 → 電能）；

• 在自供電傳感器與低功耗物聯網設備中逐漸興起。

4?? 智能聲學系統

• 多麥克風陣列 + DSP 實現波束成形與回聲消除；

• 未來趨勢為“自學習聲換能系統”，具備實時環境自適應能力。

八、結論

聲換能器是電聲系統中實現能量跨域轉換的關鍵組件。
從早期動圈麥克風到現代 MEMS 數字陣列，其發展體現了從機電到微系統、從模擬到數字的演進方向。

EEPW 編輯部認為：

未來聲換能器將不僅是“信號入口”或“輸出端”，而將成為聲學感知與交互智能的核心節點，在智慧家庭、語音識別、醫療監測、工業聲學診斷中發揮決定性作用。