یک حسگر صدا امواج صوتی یا ارتعاشات محیط اطراف را شناسایی و اندازه گیری میکند.
این سنسور سیگنالهای صوتی را برای تجزیه و تحلیل به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکند. انواع آن عبارتند از میکروفون، حسگرهای پیزوالکتریک و سنسورهای صوتی مبتنی بر MEMS. از این سنسورها در ضبط صدا، نظارت بر نویز، اندازه گیری آکوستیک و سیستمهای تشخیص صدا استفاده میشود.
سنسورهای صوتی سنسورهایی هستند که برای تشخیص و اندازه گیری امواج صوتی استفاده میشوند. این سنسورها انرژی صوتی را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند که این سیگنالها میتوانند توسط مدارهای الکترونیکی یا الگوریتمهای نرم افزاری پردازش و تجزیه و تحلیل شود.
انواع مختلفی از سنسورهای صوتی موجود است، از جمله میکروفونهای خازنی، سنسورهای پیزوالکتریک، میکروفونهای دینامیک و میکروفونهای الکترت. هر نوع از این سنسورها دارای اصول کاری و ویژگیهای خاص خود هستند.
سنسورهای صدا کاربردهای گستردهای دارند. آنها معمولا در سیستمهای تشخیص صدا، نظارت و کنترل نویز، اتوماسیون خانگی، سیستمهای امنیتی، آلات موسیقی، رباتیک و غیره استفاده میشوند.
سنسورهای صدا سطوح حساسیت و پاسخ فرکانسی متفاوتی دارند. حساسیت به حداقل شدت صدای مورد نیاز برای حسگر برای تشخیص و تولید سیگنال خروجی اشاره دارد و پاسخ فرکانسی محدوده فرکانسهایی را نشان میدهد که یک حسگر صدا میتواند به دقت تشخیص دهد.
هنگامی که صدا به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود، میتوان آن را با استفاده از تقویتکنندهها، فیلترها یا مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای تقویت یا استخراج اطلاعات خاص از موج صوتی پردازش کرد.
نحوه کار سنسورهای صوتی
سنسورهای صدا معمولاً از یک دیافراگم یا یک عنصر میکروفون که در پاسخ به امواج صوتی میلرزد، تشکیل شدهاند. این ارتعاشها سیگنالهای الکتریکی متناسب با شدت صدا تولید میکنند.
اصل کار سنسورهای صوتی بر اساس تبدیل امواج صوتی به سیگنالهای الکتریکی است. در ادامه به طور خلاصه و گام به گام به شرح عملکرد این سنسورها میپردازیم:
تشخیص صدا
دیافراگم یا عنصر میکروفون سنسور صدا وقتی در معرض امواج صوتی قرار میگیرد میلرزد. این لرزش به دلیل تغییرات فشار هوا ناشی از صدا اتفاق میافتد.
تبدیل یک پارامتر مکانیکی به یک پارامتر الکتریکی
ارتعاشات دیافراگم یا عنصر میکروفون تغییرات الکتریکی کوچکی ایجاد میکند. این تغییرات با شدت صدا متناسب اند و به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میشوند.
تقویت سیگنال
سیگنالهای الکتریکی تولید شده توسط سنسور صدا اغلب ضعیف هستند، بنابراین برای افزایش قدرتشان، تقویت میشوند. تقویت این سیگنالها به افزایش نسبت سیگنال به نویز و بهبود دقت صدای شناسایی شده کمک میکند.
فیلترینگ
بسته به کاربرد سنسور، سیگنالهای الکتریکی ممکن است به منظور حذف فرکانسها یا نویزهای ناخواسته فیلتر شوند. فیلترها میتوانند به جداسازی محدوده فرکانس خاص یا حذف تداخل از صداهای پس زمینه کمک کنند.
تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC)
در بسیاری از موارد، سیگنالهای آنالوگ تقویت شده و فیلتر شده باید برای پردازش یا تجزیه و تحلیل بیشتر به شکل دیجیتال تبدیل شوند. یک ADC سیگنالهای آنالوگ پیوسته را به یک نمایش دیجیتال گسسته، معمولاً به شکل اعداد باینری، تبدیل میکند.
پردازش و تحلیل
سیگنالهای دیجیتال را میتوان با استفاده از الگوریتمهای مختلف یا تکنیکهای نرم افزاری پردازش کرد. این پردازش میتواند شامل کارهایی مانند کاهش نویز، تجزیه و تحلیل فرکانس، تشخیص الگو یا هر تجزیه و تحلیل مرتبط دیگر مورد نیاز برنامه باشد.
خروجی
بر اساس اطلاعات پردازش شده، خروجی حسگر صدا میتواند برای راه اندازی اقدامات، ارائه بازخورد یا کنترل دستگاهها یا سیستمهای دیگر استفاده شود. این اقدامات میتواند از عملیاتهای سادهایی مانند روشن کردن یک چراغ در پاسخ به یک رویداد صوتی تا سیستمهای پیچیده تشخیص صدا که دستورات گفتاری را تفسیر میکنند، متفاوت باشد.
به طور کلی، عملکرد کلی سنسورهای صوتی شامل تبدیل امواج صوتی به سیگنالهای الکتریکی و به دنبال آن تقویت، فیلتر کردن و پردازش دیجیتال برای استخراج اطلاعات مفید یا ایجاد پاسخهای مناسب است.
انواع سنسورهای صدا و نحوه کار آنها
انواع مختلفی از سنسورهای صوتی موجود است که هر کدام برای کاربردهای خاصی طراحی شدهاند. در اینجا برخی از سنسورهای صوتی رایج مورد استفاده قرار میگیرند:
میکروفنها
میکروفونها رایجترین نوع سنسور صدا هستند و به اشکال مختلفی مانند میکروفن خازنی، میکروفون دینامیک و میکروفون
الکترت وجود دارند. آنها امواج صوتی را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند و در طیف گستردهای از کاربردها از جمله ضبط صدا، تشخیص صدا و سیستمهای ارتباطی استفاده میشوند.
سنسورهای پیزوالکتریک
این سنسورها هنگامی که تحت فشار مکانیکی یا ارتعاش از جمله امواج صوتی قرار میگیرند، بار الکتریکی تولید میکنند. سنسورهای پیزوالکتریک اغلب برای تشخیص امواج صوتی با فرکانس بالا یا ارتعاشات در کاربردهای صنعتی، مانند تست اولتراسونیک یا اندازهگیریهای صوتی استفاده میشوند.
سنسورهای تشخیص میزان صدا
سنسورهای تشخیص میزان صدا دستگاههای تخصصی هستند که شدت (حجم) صدا را بر حسب دسی بل (dB) اندازه گیری میکنند. این سنسورها معمولاً از یک میکروفون و مدارهای الکترونیکی برای ارائه میزان صدا تشکیل شدهاند. سنسورهای تشخیص میزان صدا در کنترل و نظارت بر نویز محیطی، سلامت و ایمنی شغلی و ارزیابیهای کنترل صدا کاربرد دارد.
هیدروفون ها
هیدروفونها میکروفونهای تخصصی هستند که برای ضبط و سنجش صدای زیر آب طراحی شدهاند. آنها معمولاً در کاربردهای مختلفی از جمله تحقیقات دریایی، اقیانوس شناسی، آکوستیک زیر آب و ارتباطات زیر آب استفاده میشوند.
بر خلاف میکروفونهای سنتی که برای دریافت امواج صوتی در هوا طراحی شدهاند، هیدروفونها برای تشخیص و تبدیل امواج صوتی در آب بهینه شدهاند. آنها برای مقاومت در برابر فشارهای بالا و طبیعت فرساینده محیطهای زیر آب ساخته شدهاند.
هیدروفونها با استفاده از عناصر پیزوالکتریک یا مواد مغناطیسی که به تغییرات فشار یا حرکت ذرات ناشی از امواج صوتی که در آب حرکت میکنند پاسخ میدهند، کار میکنند.
هنگامی که امواج صوتی به هیدروفون برخورد میکنند، این مواد سیگنالهای الکتریکی تولید میکنند که میتوانند به منظور تجزیه و تحلیل، تقویت، ضبط یا ارسال شوند.
هیدروفونها در اندازهها و انواع مختلفی برای کاربردهای خاص تولید میشوند.
هیدروفونها به دلیل طراحی خاص و حساسیت آنها به صدای زیر آب، نقشی حیاتی در جمع آوری دادهها و ارائه درک جدیدی در مورد دنیای زیر آب دارند که بدون این سنسورها به دست آوردن آنها دشوار یا غیرممکن خواهد بود.
سنسورهای سونیک یا اولتراسونیک
این حسگرها یک موج صوتی از خود ساطع میکنند و مدت زمان بازگشت موج را پس از برخورد با یک جسم اندازه میگیرند. این حسگرها با محاسبه زمان سفر و دانستن سرعت صوت میتوانند فاصله تا جسم را تخمین بزنند. سنسورهای محدوده صوتی و اولتراسونیک معمولاً در رباتیک، سنسورهای پارکینگ و سیستمهای تشخیص مجاورت استفاده میشوند.
سنسورهای آکوستیک امیشن
سنسورهای انتشار آکوستیک که با نام سنسورهای AE نیز شناخته میشوند، سنسورهایی هستند که برای تشخیص و نظارت بر انتشارات صوتی یا سیگنالهای اولتراسونیک تولید شده توسط مواد یا ساختارهای مختلف استفاده میشوند. این انتشارات زمانی ایجاد میشوند که تنش یا تغییر شکلهایی از قبیل ترک خوردگی، شکستگی یا تغییرات ساختاری در مواد به وجود بیاید.
سنسورهای AE برای تشخیص امواج الاستیک با فرکانس بالا، معمولاً در محدوده فراصوت (بالاتر از 20 کیلوهرتز) طراحی شدهاند. آنها از یک عنصر پیزوالکتریک یا مبدل تشکیل شدهاند که سیگنالهای صوتی را برای پردازش و تجزیه و تحلیل به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکند.
حسگرهای انتشار آکوستیک نظارت مستمر، تشخیص زودهنگام مسائل و ارزیابی سلامت سازه را امکان پذیر میکنند و به جلوگیری از خرابیهای فاجعه آمیز و بهینه سازی نگهداری و تعمیر کمک میکنند. این سنسورها را میتوان در طیف گستردهای از کاربردها، از جمله نظارت بر سلامت سازه، آزمایش مواد، آزمایش غیر مخرب (NDT) و غیره استفاده کرد. این سنسورها کاربردهای متنوعی دارند و به طور قابل توجهی به اطمینان از ایمنی و کارایی سازهها و مواد مختلف کمک میکند.
سنسورهای لرزش
در حالی که سنسورهای لرزش منحصراً حسگرهایی صوتی نیستند، میتوانند برای تشخیص و تجزیه و تحلیل امواج صوتی نیز به طور غیرمستقیم استفاده شوند. این حسگرها ارتعاش یا نوسان ناشی از امواج صوتی را اندازه گیری میکنند و میتوانند در کاربردهایی مانند آنالیز ارتعاش، کنترل کیفیت صوتی و… یافت شوند.
اینها تنها چند نمونه از انواع مختلف حسگرهای صوتی موجود هستند. انتخاب سنسور به نیازهای خاص هر پروژه مانند محدوده فرکانس، حساسیت، شرایط محیطی و خروجی مورد نظر بستگی دارد.