《今日声学（Acoustic Today）》是美国声学学会创办的面向专业与大众读者的专业科普杂志。杂志为季刊，大多数文章以约稿形式向业内人士征集，尤其是前沿的声学家、第一线的声学工程师、跨学科跨领域的科学家。此外，《今日声学》作为美国声学学会的会刊也定期发布声学界的各类新闻、短评、采访、讣告，是美国乃至全世界声学工作者的一个交流平台。
原文标题： As We Enter the Second Century of Electroacoustics...
作者： Stephen Thompson（宾夕法尼亚州立大学声学研究教授）
编译：钟雨豪（南京大学现代工程与应用科学学院）
校对： 邹林洋（南京大学光声超构材料研究院）
（图片来源于网络）
前 沿
我们通常将术语“电声”理解为声信号与电信号之间相互转换的相关设备的设计、开发和使用。在某些情况下，该术语仅限于音频工程领域，该领域描述了麦克风、扬声器以及音频记录和制作的运用。本文从更广阔的角度出发，将工作在除空气以外的其他介质中的设备包括在内，例如声纳系统，水下声学通信和医学超声系统。
早期的电声设备
19世纪中期的电报可以被视为原始的电声设备。电报员的钥匙充当发射端开关，通过电路发送电流脉冲，电流脉冲通过线圈驱动机械装置产生咔哒声，接收端的咔哒声通过莫尔斯电码将信息传达给接收操作员。在19世纪末期，还开发了没有电子放大器的电话系统。电话电路是一个直流电回路，听筒包括一个碳纤维麦克风和一个移动电枢扬声器。碳麦克风是一个封闭的胶囊，包含松散堆积的碳颗粒（图1），碳粒在一定程度上是导电的，并且包有挠性膜，该膜允许声压周期性地压缩厚度并压实碳颗粒，从而使包装两端的电阻随压力信号而变化。
图1.一个打开的碳纤维麦克风盒，显示内部的碳颗粒（右中）和柔性压力膜片（左）。膜片中央的柱将声压传递到碳颗粒上。
除了碳纤维麦克风和磁性耳机以外，还出现了水下换能器。在第一批水听器中，有一个碳键式麦克风，它被包装在一个具有防水窗的防水外壳中，以允许声压压缩碳粒。此外，压电换能器为石英晶体制成的。图2显示了其中的一些早期设备。
图2.可用的换能器示例。a：早期动圈式扬声器内部结构的图（1925），大的“励磁线圈”（左）提供了驱动所需的静磁场。b：如图a所示构造的扬声器的照片。c：专利图，显示号角扬声器驱动器的内部结构（Pridham，Jensen，1923）d：如图c所示构造号角扬声器照片。
1920至1950年代的发展
1920至1930年代，真空管电子放大器主导了当今熟知的电声业发展，该器件可以为输出设备提供高阻抗前置放大器和合理的线性低阻抗驱动放大器。高输入阻抗前置放大器允许同时使用电容式麦克风和动圈麦克风。与电话系统中的低成本碳纤维麦克风相比，这些麦克风具有较低的内部噪声和更大的可用带宽等显著优势。同时，材料科学的重大发展带来了使用铁氧体陶瓷和Alnico金属合金制造的强力永磁体。（Alnico是铁与铝[Al]，镍[Ni]和钴[Co]的金属合金族。）新的磁性材料可实现平衡电枢和动圈式扬声器，而不会产生场线圈的静态功耗的设计。此外，超声波传输首次在商业应用中使用，从最初对固体的”缺陷探测”发展到现在的无损检测（NDT）领域，再到1956年苏格兰首次用超声进行医学成像。
在两次世界大战期间，水下电声传输也得到了发展。战争期间的活动已确定需要更大的海军声纳能力。压电材料的发展大大改善了水下换能器的灵敏度和功率处理能力，由于锆钛酸铅陶瓷材料（PZT）的机电耦合系数较高，因此它的性能远优于其他压电材料。作为陶瓷，它还可以制成各种尺寸和形状，以用于各种换能器配置。
图3.当前研究人员公认的实验室设备（1950）。a：Hewlett-Packard 200CD音频振荡器(1952)。b：Tektronix 535双波束示波器。c：Brüel＆Kjær（B＆K）标准测量麦克风（1958）。此处显示的是B＆K 4134 0.5英寸麦克风，麦克风振膜盒后面的圆柱形包装包含一个真空管前置放大器。
1960至1980年代的发展
20世纪中叶手机迅速发展，其运用的小型电容传声器性能较好但需要较大的外部偏置电压，Sessler和West开发的可以无限期保持电荷的驻极体打破了这个限制，驻极体膜可以粘结在电容式麦克风的静电间隙内，或用作该麦克风的振膜。无论哪种情况，带电的驻极体都会在静电间隙上产生强电场，从而消除了对外部电偏置的需求。
在水下换能器技术中，PZT陶瓷材料的可用性使得各种各样的水下换能器设计成为可能，它们为水面舰艇和海底声纳提供了全套功能。使用新型压电材料的超声换能技术的进步使NDT不仅能发现结构元素的裂缝和缺陷，还能进行连续或定期评估，以确定对结构中的零件是否需要维护和更换。
1960年代，电子计算机开始进行工程设计所需的复杂分析，圣地亚哥海军实验室首先使用计算机辅助设计声换能器。
二十世纪的最后十年
计算能力的提高以及材料的改进和制造方法的发展一直是电声领域的双重主题。用于换能器和声学系统分析的现有定制计算机代码开始被更通用的代码所代替，比较典型的是SPICE（带有集成电路重点的仿真程序）代码和有限元分析（FEA）代码。在材料改进方面，开发了高强度稀土磁体，最终达到了具有更大磁通势能力的钕铁硼磁体，结合FEA磁场设计方法，可以使动圈式扬声器设计中的功率处理能力显著提高。
进入二十一世纪
在计算方面，FEA代码不断发展并提供增强的多域分析功能，优化的图形界面与操作。现在，几个FEA代码包括能够同时对几个物理域（例如，机械，磁和电域）建模并包括相关的域间耦合方程的能力。在智能手机领域，微型扬声器的各项性能参数也在显著提升。此外，医学超声换能器，广泛采用硅麦克风置于微机电系统（MEMS）设备中，能够在更高的超声波频率下运行的更高分辨率的系统。
人们也开始转向立体声（Ambisonic）的测量，高阶混响在概念上已经涵盖了所有的球谐函数，但是，在形成高阶光束图案方面存在实际困难。对于n阶多极模式，灵敏度随频率的n次方变化。因此，对于低频，灵敏度低并且信噪比成为问题。图4显示了其中一种四阶球形麦克风阵列。
图4.Eigenmike®球形麦克风阵列是第一个提供更高阶的混响波束图案以记录声场的空间特征的阵列。
总 结
未来，新材料、新制造工艺和工程分析的进步可能会带来更大的变化，特别是分析和再现定向极佳音效可能会引起革命性的系统改进。这种混响工作会有助于我们分析可提供出色听觉效果的复杂波场的细节，以使音频记录与再现设备提供逼真的虚拟现实体验。
文章链接
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