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洪连进 编

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• 声学传感器
• 传感器技术
• 工程应用
• 信号处理
• 噪声控制
• 振动监测
• 检测技术
• 仪器仪表
• 工业自动化
• 物联网

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040490411

版次：1

商品编码：12321068

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“三海一核”系列规划教材

开本：16开

出版时间：2018-03-01

用纸：胶版纸

页数：194

字数：310000

正文语种：中文

内容简介

　　《声学传感器技术及工程应用》以提高本科教育人才培养质量、强化“三海一核”特色优势为原则，系统地介绍传感器的基本知识，并以声学传感器的应用为目标，配有传感器在水声工程中的应用实例。该书主要内容包括传感器的特性、弹性敏感元件的力学特性、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、声学传感器、超声波传感器、声矢量传感器、水下弱信号检测系统等。该书配有适量的思考题与习题，在一些重点章节有应用实例与分析。
　　《声学传感器技术及工程应用》是关于以水声工程为应用背景的传感器专业书籍，可作为高等院校和科研院所水声工程专业高年级本科生的教材或参考书，也可作为相关研究人员的参考用书。

内页插图

目录

第1章 概述
1．1 传感器的作用及其在水声工程中的地位
1．2 传感器的定义与组成
1．3 传感器的分类
1．4 现代传感器的发展动向
1．4．1 声学量传感器
1．4．2 力学量传感器
1．4．3 光学量传感器
1．5 传感器的技术动向
1．5．1 集成化与智能化
1．5．2 微机械化和系统化
1．5．3 多样化
1．5．4 扩大应用领域
思考题与习题

第2章 传感器的特性
2．1 传感器静态特性的一般知识
2．1．1 静态特性的表示方法
2．1．2 静态特性的求法
2．2 传感器的主要静态特性指标
2．2．1 测量范围和量程
2．2．2 分辨力和阈值
2．2．3 灵敏度
2．2．4 迟滞
2．2．5 重复性
2．2．6 线性度
2．2．7 重复性
2．2．8 零漂及温漂
2．3 传感器的动态特性
2．3．1 动态特性的一般数学模型
2．3．2 传递函数和传感器的频率特性
2．3．3 传感器的动态响应及其动态特性指标
思考题与习题

第3章 声学传感器的基本理论
3．1 声学基本量
3．2 声学传感器
3．2．1 电动式话筒
3．2．2 电容式话筒
3．2．3 驻极体式话筒
3．2．4 压电式声传感器
3．2．5 振动传感器

第4章 传感器的材料及基本弹性敏感元件
4．1 传感器的材料
4．1．1 电学功能材料
4．1．2 磁学功能材料
4．1．3 光学功能材料
4．1．4 热功能材料
4．1．5 特殊功能材料
4．2 基本弹性敏感元件
4．2．1 弹性敏感元件的基本特性
4．2．2 弹性敏感元件的材料
4．2．3 弹性敏感元件的形式及其力学特性
4．2．4 常用弹性元件的设计与计算

第5章 水下声矢量传感器
5．1 水下声矢量传感器的工作原理
5．2 声矢量传感器
5．3 矢量水听器的基本参数
5．4 声接收器的分类
5．5 水下复合式矢量水听器
5．5．1 压差式矢量水听器
5．5．2 复合式同振型矢量水听器
5．6 水下声矢量测量系统

第6章 电阻式传感器
6．1 电阻应变式传感器的基本原理
6．1．1 电阻应变效应
6．1．2 结构与分类
6．2 工作特性和主要参数
6．2．1 工作状态和灵敏系数
6．2．2 横向效应和横向效应系数
6．2．3 应变极限
6．2．4 零漂和蠕变
6．2．5 机械滞后
6．2．6 动态特性
6．3 温度误差及其补偿
6．3．1 温度误差
6．3．2 温度补偿
6．4 测量电路
6．4．1 电桥的主要特性
6．4．2 单臂工作电桥的非线性误差及差动电桥
6．4．3 应变片的串联与并联式接线法
6．5 电阻应变式传感器
6．5．1 电阻应变式力传感器
6．5．2 电阻应变式压力传感器
6．5．3 电阻应变式加速度传感器
6．6 半导体应变片及压阻传感器
6．6．1 压阻效应及半导体应变片
6．6．2 压阻式压力传感器
6．6．3 压阻式加速度传感器

第7章 压电式传感器
7．1 压电效应
7．2 压电元件常用的结构形式
7．3 测量电路
7．4 压电式加速度传感器
7．4．1 压电材料及其等效电路
7．4．2 一维压电加速度传感器的结构
7．4．3 压电加速度传感器的工作原理
7．4．4 加速度传感器的频率特性
7．5 三维加速度传感器的工作原理
7．6 加速度传感器参量与声学物理量的关系
思考题与习题

第8章 电容式传感器
8．1 电容式传感器的工作原理
8．2 电容式传感器的结构形式
8．2．1 变间隙式敏感元件
8．2．2 变面积电容式敏感元件
8．2．3 变介电常数电容式敏感元件
8．2．4 电容式敏感元件的等效电路
8．2．5 差动电容式传感器
8．3 硅微电容式加速度传感器的结构形式
思考题与习题

第9章 电感应式传感器
9．1 变磁阻式传感器
9．1．1 变气隙式自感传感器
9．1．2 变面积式自感传感器
9．1．3 螺管式自感传感器
9．2 互感式传感器
9．2．1 结构与类型
9．2．2 工程原理
9．3 电涡流式传感器
9．3．1 工作原理
9．3．2 结构类型及线圈参数对性能的影响

第10章 超声波传感器
10．1 超声波及其物理性质
10．1．1 声波的波形及其转换
10．1．2 超声波的反射与折射
10．1．3 超声波传播过程中的衰减
10．2 超声波传感器
10．2．1 厚度振动换能器
10．2．2 圆柱形压电换能器
10．2．3 复合棒压电换能器
10．2．4 压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器
10．3 超声波传感器应用举例
思考题与习题
参考文献

前言/序言

　　传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术，是现代科学技术领域实现信息化的基础技术之一。随着人类对神秘海洋中各种信息的深入研究，诞生出各种用途的水下声学系统，这些系统均以声波作为水下信息的载体，因此，能够有效探知水下信息的声学传感器则成为了水声系统中最为关键的部件。
　　本书遵循提高本科教育人才培养质量、强化“三海一核”特色优势的原则，较全面地介绍水声工程领域中经常使用的声学传感器，系统地介绍声学传感器的基本原理和工作特性等。根据水声学的原理，通过水下声学传感器的合理设计，可以将空气介质中使用的某些传感器作为水下声学传感器的结构部件之一，因此，与水下声学传感器有关的一些传感器本书也做了介绍。作者从多年的传感器技术等课程的教学和科研工作中体会到，学习传感器技术的目的在于更好地将它们运用到科学研究和生产实践中。所以，有必要将声学传感器的相关原理与实际应用结合起来，给读者一个较为系统而完整的声学传感器方面的应用知识。本书在编写过程中参考了国内许多传感器方面的优秀教材。
　　全书共分为10章。前2章对传感器技术进行基本概述，并给出传感器的一些特性，包括传感器的静态特性和动态特性：第3章介绍声学传感器的基本理论，给出了声学的基本物理量：第4章介绍传感器常用的材料及基本的弹性敏感元件，包括电学功能材料、磁学功能材料、光学功能材料、热学功能材料及特殊功能材料；第5章集中介绍水下声矢量传感器的基本工作原理和分类，给出了水下声矢量测量系统；第6章介绍电阻式传感器的基本原理及测量电路，并给出具体的压力传感器和加速度传感器实例： 第7章介绍压电式传感器的工作原理及其设计实例；第8章介绍三种工作原理的电容式传感器及硅微电容式加速度传感器；第9章着重介绍变磁阻式、互感式及电涡流式传感器；第10章介绍超声波的物理性质、超声波传感器及其应用。
　　哈尔滨工程大学的博士生李玥对本书插图进行了整理并对全书进行了校对，在此深表谢意。
　　由于作者水平有限，不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

噪声与静谧的边界：声音的感知、转化与未来 在日常生活的喧嚣中，我们无时无刻不与声音为伴。从清晨鸟鸣的唤醒，到城市交通的轰鸣，再到音乐的律动，声音是信息传递、情感表达、环境感知乃至生存本能的重要载体。然而，当我们深入探究声音背后的科学原理，探寻其被捕获、被理解、被利用的方式时，便会进入一个更为精妙而广阔的世界——声音的感知、转化与工程应用。 本书将带您走进一个关于“听见”的科学之旅，它并非聚焦于某一具体技术设备，而是从更宏观的视角，探索人类如何感知声音，以及如何通过各类工具和系统，将肉眼无法捕捉的声波转化为可量化、可分析、可操作的信息，并最终应用于解决现实世界中的诸多挑战。 第一部分：声音的本质与感知机制 我们首先从最基础的层面出发，解析声音的物理属性。声音作为一种波，其频率（音高）、振幅（响度）以及波形（音色）构成了我们听觉体验的基石。我们将深入探讨这些参数的物理学定义，了解它们如何影响我们对声音的感知。空气、固体、液体等不同介质如何影响声波的传播速度和衰减，声学中的反射、折射、衍射、干涉等现象，都将一一展开，为理解声音的传播特性奠定基础。 进一步，我们将目光转向生物体——特别是人类的听觉系统。耳朵是如何精巧地将声波转化为神经信号的？从外耳收集声波，到中耳的机械放大，再到内耳毛细胞的振动感应，直至听觉神经将信号传递至大脑进行解析，这个复杂而神奇的过程将得到细致的描绘。我们将了解不同频率的声音对听觉细胞的刺激差异，以及大脑如何通过复杂的信号处理，分辨出不同的音源、方向、甚至情感内涵。这部分内容，旨在揭示我们“听见”能力的生物学根源，理解声音在生物体内的初步转化过程。 第二部分：声音的量化与信号处理 当声波进入物理世界，我们如何对其进行精确的测量和描述？本部分将引入声音的量化概念。声压级、声强级、声功率级等重要的声学计量单位将得到详细解释，并探讨它们之间的相互关系。我们将了解分贝（dB）这一度量单位的意义，以及它如何广泛应用于噪声控制、音频工程等领域。 信号处理是理解和利用声音的关键。声信号在传输和记录过程中，往往会受到噪声的干扰，或者需要进行特定的增强和压缩。我们将探讨时域和频域分析的基本原理，傅里叶变换等数学工具如何帮助我们将复杂的声音信号分解为不同频率的成分，从而揭示其内在结构。例如，频谱分析能够帮助我们识别出不同乐器的音色特征，或者检测出设备运行中的异常噪声。 此外，我们将介绍各种信号处理技术，包括滤波（用于去除特定频率的噪声或提取目标信号）、采样与量化（模拟信号转化为数字信号的关键步骤）、以及压缩算法（在不明显损失信息的前提下减小音频数据量）。这些技术是实现声音信息精确捕捉和高效处理的基石，它们使得我们能够从海量的声音数据中提取有价值的信息。 第三部分：声音的感知与认知 仅仅接收到声波并将其转化为电信号只是第一步，大脑如何进一步解读和理解这些信号，才是声音感知真正的核心。本部分将深入探讨声音的心理声学层面。我们将了解人类对响度、音高、音色等主观感受的形成机制，以及这些感受如何受到个体生理、心理以及环境因素的影响。 例如，声音的响度感知并非线性的，同等声压级的声音在不同频率下，我们听到的响度可能不同。我们会探讨掩蔽效应——一种声音如何影响我们对另一种声音感知的现象，这在日常交流和噪声环境中都非常普遍。同时，我们将关注声音的空间感知，包括我们如何通过双耳的听觉差异来判断声源的方向和距离，这对于导航、安全监测等至关重要。 大脑对声音的认知过程，也包括了模式识别和语义理解。我们如何从嘈杂的环境中辨别出关键的声音，例如呼唤自己的名字？我们如何理解语言的含义，以及音乐所传达的情感？这部分内容将触及听觉神经科学和认知心理学的前沿，揭示声音信息在更高层次上的处理与整合。 第四部分：声音的工程转化与应用 在理解了声音的本质、感知和处理之后，我们将把目光投向声音在工程领域的广泛应用。声音的工程转化，本质上是将声学现象与电子、机械、材料等工程技术相结合，创造出解决实际问题的方案。 通信与信息传输： 从早期的电话到现代的无线通信，声音作为信息载体，其传输的效率和质量始终是工程关注的重点。我们将探讨音频编码、解码技术，以及如何通过降噪和回声消除技术，提升语音通信的清晰度。 监测与诊断： 声音是物质状态和过程的重要指示器。通过分析机械设备的运行声音，我们可以早期发现磨损、松动等故障，实现预防性维护。例如，轴承的异常摩擦声、泵的运行噪音等，都能提供关键的诊断信息。我们将探讨各种用于声音监测的设备和技术，以及如何利用声学信号进行故障诊断。 环境控制与声学设计： 噪声污染是现代社会面临的严峻挑战。本部分将涉及噪声的测量、分析以及控制策略。包括吸声材料、隔声结构的设计，以及主动噪声控制（ANC）技术的原理和应用。在建筑声学领域，如何通过合理的声学设计，营造舒适的听觉环境，例如音乐厅的混响控制、办公室的隔音设计等，也将得到讨论。 生物医学应用： 超声波作为一种高频声波，在医学影像和治疗领域扮演着重要角色。我们将简要介绍超声成像的基本原理，以及其在诊断疾病中的应用。同时，声学在医疗器械的无损检测、药物输送等方面的潜在应用也将被提及。 人机交互： 语音识别和语音合成技术的飞速发展，正在改变我们与机器互动的方式。我们将简要介绍语音识别系统的工作原理，以及如何将声音转化为可执行的指令。同时，语音合成技术也使得机器能够以自然的方式与人类进行交流。 工业应用： 在工业生产过程中，声音的应用也无处不在。例如，声学测距技术用于定位和测量，超声清洗技术用于精密部件的清洁，声波焊接技术用于材料连接等。 第五部分：未来的展望 随着科技的不断进步，声音的感知、转化与工程应用领域正迎来新的机遇与挑战。我们将展望未来的发展趋势。 智能化与集成化： 未来，声音传感器将更加智能化，能够自主地识别、分析和响应声音信号，并与其他传感器和智能系统进行无缝集成。 更精细化的感知： 随着传感器技术的提升，我们有望感知到更广泛的声频范围，甚至能够捕捉到人耳无法听到的超声波和次声波，从而解锁新的应用领域。 个性化与自适应性： 未来的人机交互系统将能够根据个体的听觉特点和偏好，自适应地调整声音的呈现方式，提供更加个性化的听觉体验。 声音的艺术与创造： 声音作为一种艺术媒介，其创作和表现形式将更加丰富多样。结合先进的声音合成和处理技术，艺术家们将能够创造出前所未有的听觉作品。 可持续发展中的声音： 声音技术将在环境保护、资源监测、灾害预警等领域发挥越来越重要的作用，为构建可持续发展的社会贡献力量。 本书旨在搭建一座连接声音的物理世界与工程应用的桥梁，通过对声音本质、感知机制、量化处理以及多领域应用的深入探讨，为读者提供一个全面而深刻的理解。它将激发您对声音的更多好奇，并引导您思考如何利用声音这一普遍而强大的现象，去解决现实世界的难题，去创造更美好的未来。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样一个对新兴科技充满好奇心的人来说，《声学传感器技术及工程应用》这本书带给我的惊喜远不止于理论知识。它更像是一扇窗口，让我得以窥探声学传感器技术如何悄无声息地改变着我们的生活和工作。我是一个对智能家居很感兴趣的普通用户，书中关于“智能语音识别与声源定位”的部分，正好是我一直以来非常关注的焦点。这本书以通俗易懂的方式，解释了语音信号是如何被麦克风等声学传感器捕捉，然后经过复杂的信号处理和模式识别算法，最终转化为机器能够理解的指令。我尤其对书中关于“阵列麦克风”的介绍感到新奇，它如何通过多个麦克风协同工作，实现对声源方向的精准定位，以及如何有效抑制背景噪声，让智能设备在嘈杂的环境中也能准确“听懂”我的话。书中列举了大量实际应用案例，比如智能音箱、车载语音助手，甚至是在安防监控领域，声学传感器是如何通过捕捉异常声响来预警的。读完这一部分，我不仅对这些日常生活中习以为常的科技有了更深层次的理解，也对未来声学传感器在人机交互、智能生活等方面的更多可能性充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

《声学传感器技术及工程应用》这本书，在“声学信号处理与数据分析”这一章，为我这个对数据分析略有涉猎的读者，打开了新的思路。作为一名对数据可视化和模式识别有兴趣的爱好者，我一直认为，传感器收集到的原始数据，其价值在于后续的分析和解读。这本书在这方面做得非常出色，它并没有仅仅停留在传感器的介绍，而是花了大量篇幅去阐述如何从声学传感器获取的信号中提取有用的信息。我特别对书中关于“降噪算法”和“特征提取技术”的讨论很感兴趣。例如，书中如何通过傅里叶变换、小波分析等方法，将复杂的声学信号分解成易于理解的组成部分，以及如何利用机器学习的方法，从海量的声学数据中识别出特定的声音模式，如识别鸟类叫声、辨别机器故障的异常声音等。书中提供的伪代码和算法流程图，虽然不是完整的实现代码，但足以让有编程基础的读者迅速领会其精髓。我感觉，这本书不仅教会了我声学传感器的“怎么用”，更教会了我如何从这些“怎么用”中挖掘出更深层次的“为什么”，以及如何让这些声音信息产生更大的价值。

评分☆☆☆☆☆

读完《声学传感器技术及工程应用》的不少章节，我感觉这本书在“生物声学与医疗诊断”这一领域的阐述，触及到了一个非常人文关怀的角落。我是一名关注健康和医学进展的读者，一直对声学在疾病诊断和治疗中的应用感到好奇。这本书中，关于“医用超声成像”的部分，用非常生动和直观的方式，解释了超声波是如何穿透人体组织，并通过回声成像，为医生提供重要的诊断信息。它详细介绍了不同频率的超声波在成像分辨率和穿透深度上的权衡，以及各种超声探头的类型和工作原理。我尤其对书中关于“多普勒超声”的讲解印象深刻，它如何通过检测血流的速度和方向，来评估血管的健康状况。此外，书中还探讨了声学传感器在听力学评估、康复治疗以及对某些生物体（如蝙蝠、海豚）声学行为的研究，这些内容都让我感到非常新颖和有启发性。这本书没有回避技术难题，同时也关注了这些技术如何转化为实际的医疗效益，这种“技术向善”的视角，让我在阅读过程中感到一种温暖和力量。

评分☆☆☆☆☆

这本《声学传感器技术及工程应用》确实是一部非常扎实的学术著作，尤其在理论深度和技术细节的呈现上，令我印象深刻。我是一名在通信领域工作的工程师，工作中经常会接触到信号处理和传感器应用，所以对这类技术书籍有比较高的要求。这本书在“超声波传感器”这一章节的论述，就让我觉得非常专业和到位。它不仅清晰地解释了超声波的产生机制、传播方式以及回波原理，还详细介绍了压电式、电容式等不同类型超声波传感器的结构、工作原理、灵敏度、频率响应等关键参数。更令我惊喜的是，书中深入探讨了超声波传感器在工业无损检测、医疗成像、距离测量等复杂工程场景下的具体应用，包括如何克服环境干扰、优化信号采集和数据解读。书中提供的数学模型和算法推导，虽然需要一定的专业背景才能完全理解，但对于想要深入研究超声波技术的人来说，无疑是极其宝贵的财富。我特别欣赏书中对于“压电式超声波传感器”的详细分析，它结合了材料科学和工程学的知识，解释了压电效应如何被应用于声波的产生与接收，以及材料选择、结构设计对传感器性能的影响。这种深度和广度的结合，使得本书在理论与实践之间架起了一座坚实的桥梁。

评分☆☆☆☆☆

这本《声学传感器技术及工程应用》我拿到手已经有一段时间了，一直没能静下心来好好翻阅。昨天晚上，恰好有空，我便迫不及待地打开了它。刚翻开目录，就吸引了我，里面涉及的领域非常广泛，从基础的声学原理，到各种不同类型的传感器，再到它们在众多工程领域中的具体应用，都进行了深入浅出的讲解。我尤其对其中关于“水下声学探测”的部分感到好奇。作为一名对海洋科技充满兴趣的爱好者，我一直想了解水下环境中声音的传播特性以及如何利用声学传感器来“倾听”海洋的秘密。书中不仅介绍了水声探测的原理，还详细阐述了不同水下声学传感器的设计、性能指标以及它们在海洋测绘、渔业资源调查、水下目标识别等方面的应用案例。读着读着，我仿佛置身于浩瀚的海洋，感受到声学技术在探索未知世界中的巨大潜力。此外，书中对“噪声控制与监测”的章节也让我受益匪浅。在城市生活中，噪声污染是一个不容忽视的问题，而如何有效地监测和控制噪声，离不开先进的声学传感器技术。这本书对此进行了细致的分析，从噪声的产生机理到传感器的选择和部署，再到数据处理和分析，都提供了详实的指导。对于我这样关心环境质量的普通读者而言，这本书就像一位经验丰富的老师，为我打开了一扇理解和解决噪声问题的新视角。