Cảm biến âm thanh, là thiết bị chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện, có ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp, nhà thông minh, chẩn đoán y tế và các lĩnh vực khác. Dựa trên nguyên tắc hoạt động và mục tiêu phát hiện, cảm biến âm thanh chủ yếu được phân loại như sau:
I. Cảm biến áp điện
Cảm biến âm thanh áp điện tận dụng các đặc tính của vật liệu như thạch anh và gốm sứ. Khi áp suất âm tác động lên bề mặt vật liệu, nó sẽ gây ra sự thay đổi điện tích, từ đó tạo ra tín hiệu điện. Những cảm biến này có độ nhạy cao và đáp ứng tần số rộng, với các ứng dụng điển hình bao gồm:
1. Micro:Micrô tụ điện (ECM) sử dụng màng điện phân phân cực làm màng chắn, có chi phí thấp và kích thước nhỏ gọn, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Micrô MEMS tích hợp các cấu trúc điện dung thu nhỏ thông qua quy trình bán dẫn, có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ và tính nhất quán tuyệt vời, thường thấy trong điện thoại thông minh.
2. Cảm biến siêu âm:Thông thường hoạt động ở tần số trên 20kHz, chúng sử dụng gốm áp điện để truyền và nhận sóng siêu âm, phù hợp cho các ứng dụng như đo khoảng cách (ví dụ: cảm biến đỗ xe) và phát hiện dòng chảy. Trong thiết bị tạo ảnh siêu âm y tế, cảm biến áp điện dạng mảng đạt được độ phân giải- milimet.
II. Cảm biến dựa trên cảm ứng điện từ-
Chúng tạo ra tín hiệu điện thông qua sự thay đổi từ trường, chủ yếu bao gồm:
1. Di chuyển-cuộn dây Micrô:Sóng âm làm cho cuộn dây dao động trong từ trường vĩnh cửu, cắt các đường sức từ để tạo ra dòng điện. Dải động rộng khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho thiết bị ghi âm chuyên nghiệp.
2. Pickup điện từ:Bộ thu cuộn dây được sử dụng trong các nhạc cụ như guitar làm thay đổi cường độ từ trường thông qua các dây kim loại rung để phát ra tín hiệu âm thanh.
III. Cảm biến âm thanh quang học
Sử dụng các công nghệ phát hiện không tiếp xúc, chẳng hạn như:
1. Máy đo độ rung bằng laser:Đo độ rung trên bề mặt thông qua hiệu ứng Doppler, phù hợp với môi trường-nhiệt độ cao hoặc nhiễu điện từ mạnh. Được sử dụng trong công nghiệp để phát hiện sóng âm bất thường do hỏng hóc cơ học.
2. Cảm biến âm thanh sợi quang:Sử dụng đặc tính sóng âm làm thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang, cho phép giám sát âm thanh phân tán. Công nghệ này được sử dụng để phát hiện rò rỉ đường ống dẫn dầu.
IV. Cảm biến âm thanh điện dung
Bao gồm một tấm di động và một tấm cố định tạo thành cấu trúc điện dung, sóng âm làm thay đổi khoảng cách giữa các tấm, do đó thay đổi giá trị điện dung. Micrô MEMS thuộc loại này, đạt tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu vượt quá 70dB. Một loại khác, micro điện dung silicon, sử dụng quy trình bán dẫn để chế tạo các khoang khí thu nhỏ, khiến nó phù hợp với các thiết bị thính chẩn y tế.
V. Cảm biến âm thanh điện trở
Micrô hạt-cacbon là một ví dụ cổ điển. Áp suất âm thanh làm thay đổi điện trở tiếp xúc của các hạt carbon, từ đó điều chỉnh dòng điện. Mặc dù có đặc tính đáp ứng tần số kém nhưng cấu trúc đơn giản và giá thành thấp khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các điện thoại thời kỳ đầu.
VI. Cảm biến thông minh mới
Những tiến bộ công nghệ đã dẫn đến sự xuất hiện của các cảm biến lai tích hợp nhiều công nghệ:
1. Mô-đun nhận dạng giọng nói AI:Tích hợp chip DSP và thuật toán học sâu, chúng phân tích các đặc điểm giọng nói cụ thể trong thời gian thực cho các hệ thống bảo mật thông minh. Các mô hình âm thanh do Baidu AI Open Platform cung cấp đạt độ chính xác 98%.
2. Cảm biến môi trường đa thông số:Đồng thời phát hiện âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác. Ví dụ bao gồm các thiết bị đầu cuối giám sát tiếng ồn ở các thành phố thông minh, tải dữ liệu decibel lên nền tảng đám mây thông qua mạng 4G.
So sánh kịch bản ứng dụng
| Loại cảm biến | Độ nhạy | Trị giá | Kịch bản ứng dụng điển hình |
| Micrô MEMS | Cao | Thấp | Điện thoại thông minh, loa thông minh |
| Micro động | Ở giữa | Ở giữa | Biểu diễn sân khấu, ghi âm phát sóng |
| Cảm biến siêu âm | Cực kỳ cao | tương đối cao | Siêu âm y tế,-thử nghiệm không phá hủy công nghiệp |
| Cảm biến âm thanh sợi quang- | Cực kỳ cao | Cao | Giám sát đường ống dẫn dầu khí, cảnh báo sớm phòng thủ biên giới |
Xu hướng phát triển công nghệ
1. Thu nhỏ và tích hợp:Các nhà sản xuất như TSMC đã giới thiệu chip micrô MEMS trong các gói 3 mm × 2 mm, có tiềm năng tích hợp SoC cho cảm biến và bộ xử lý trong tương lai.
2. Trao quyền cho AI:Các khung như PaddlePaddle của Baidu hỗ trợ triển khai mô hình âm thanh bên-cạnh, cho phép các cảm biến có khả năng tính toán biên. Ví dụ: máy phát hiện tiếng khóc của trẻ sơ sinh có thể phân tích cục bộ các đặc điểm quang phổ âm thanh trong vòng 200 mili giây.
3. Công nghệ tự cấp nguồn:Cảm biến lai ma sát áp điện{0}}của Georgia Tech khai thác năng lượng rung động của môi trường, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị nút IoT.
Khi chọn cảm biến âm thanh, hãy đánh giá toàn diện các thông số bao gồm dải tần (nghe giác của con người trải dài 20Hz-20kHz), độ nhạy (dB/V) và tỷ lệ tín hiệu-trên tiếng ồn. Ngoài ra, các ứng dụng công nghiệp còn yêu cầu chú ý đến xếp hạng bảo vệ (ví dụ: khả năng chống bụi và nước IP67) và khả năng thích ứng với nhiệt độ (phạm vi hoạt động -40 độ đến 85 độ). Với sự phát triển của công nghệ 5G và AIoT, cảm biến âm thanh đang phát triển từ việc thu thập tín hiệu đơn giản đến hệ thống nhận thức thông minh.