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声波滤波器基础:到底什么是声波?

2021-04-29 10:43
射频学堂
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大家好,我是RF小木匠,今天一起来看看声波滤波器基础,到底什么是声波?前年的这个时候,还是介质滤波器正火的时候,那时候介质滤波器工程师的薪水也是水涨船高,更有的达到了百万级别。今年滤波器还在,只是这个火已经从介质转到了声波。比如下面这个华为的滤波器职位。

周边也有不少朋友转去做了声波滤波器。人的技能总是要契合市场的需求,才能使得个人的利益最大化。

我们今天一起从声波的原理去学习一下这类滤波器。

电磁波对于射频人来说,这个再熟悉不过了。我们也不再去赘述。我们先来学习一下声波。

在百度百科上对声波的定义是:发声体振动在空气或者其他介质中传播产生的波叫做声波。

声波与电磁波在产生机理上就完全不同,声波是一个物体振动产生的,这个物体可以是一个分子、原子,也可以是一个舌头,同样也可以是一个核爆。但是电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波是电场和磁场交换能量产生的,是以波的形式传播的电磁场。声波的传播需要依赖空气或者其他介质,在真空中是不能传播的,而电磁波可以在真空中传播。声波需要借助各种介质进行向四面八方传播,声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动,声波的传播实质上是能量在介质中的传递。这种由物体振动产生的波叫做机械波。像水波,地震波等都属于机械波。

那么声波一定是人能听到的波吗?No,人能听到的声波的频率处于20Hz至20kHz之间。记得曾经有个视频可以测试人能听到的声波频率。我们大家都知道人体能听到声音是因为声音的传播引起了鼓膜的振动,鼓膜带动听小骨们传动,听小骨传动卵圆窗膜,振动内耳淋巴液,引起内耳基底膜细胞产生电位变化,电位变化传递到听神经,听神经输送信号到大脑中的听觉中枢,大脑"听"到声音。(这个过程和SAW滤波器还蛮像的,我们后面在讲)

有很多频率不在这个范围内的声波,人类是无法听到的,但是有些动物是可以的。下表给出了一个对比图,在声音方面,相对于猫猫狗狗们,我们还是挺落后的(这样也好,让我们能睡个好觉)。

于是,在定义声波的时候,我们把低于我们人类能听到的声波叫做次声波,而把频率高于人类能听到的声波叫做超声波。谁让我们是世界的主人翁呢,这个猫猫狗狗都得听我们的。

这个时候就引出了超声波,通常频率在20kHz到1GHz我们都知道,蝙蝠就是靠这个超声波去看东西的。还好我们听不见,要不晚上也不得安宁。而且蝙蝠的超声波也是嘴来发出的,可见这个发声体的振动还是蛮厉害的。

比超声波频率更高的是特超声/微波超声, 频率大于1GHz。我们声表滤波器这个声肯定是特超声了,要不然工作起来,人受得了,蝙蝠也受不了啊。既然是波,那么声波也具有波的物理参数:频率,振幅,相位和波长。我们在描述的时候也可以用正弦波来表示。这里不再详述。

声波的常用属性包括:音调,速度和音量。音调就是声音的频率,频率不同,音调也不同。就像五线谱中的那一个个小蝌蚪就表示了不同的音调。

声波的传播速度和介质有关,我们都熟悉的340m/s 就是声音在空气中传播的速度。用这个速度值,我们可以毛估估闪电距离我们的距离:L=340*(雷声时间-闪电时间)。小猪佩奇的爸爸经常这么做。但是也只是毛估估,当空气中水含量不同时,这个数值会有所变化。现在已经测得空气中常温常压下声波速度是344m/s,淡水中为1430m/s,海水中1500m/s,钢铁中5800m/s,铝中6400m/s,石英玻璃中5370m/s,而在橡胶中仅为30-50m/s。

当温度和压力变化,声速也随着改变。通常所指的常温是指20℃时的气温,当气温降到零度,声波在空气中传播的速度则将为331.5m/s,而气温每升高1℃,声速就增加0.607m/s。我猜这也可能和空气的密度相关吧。爱咋咋地,反正我们也不去做空气声波滤波器。请记住上面石英玻璃中的那个传播数值:5370m/s。 在SAW滤波器中常用的材料特性如下:

音量就是声音的大小,这个和声源振动的强弱有关。大嗓门的人声带振动幅度就大。音量的大小通常以分贝为单位来衡量。人耳刚能听见的声强是0分贝,普通谈话的声强是60-70分贝,凿岩机、球磨机的声强为120分贝,而使人耳产生疼痛感觉的声强是120分贝。所以要保持安静,以免被认为是噪音。

我们简单了解过声波之后,我们今天简单熟悉一下SAW是如何工作的?下图是一个最简单的SAW滤波器示意图。SAW滤波器的基板是压电陶瓷,压电陶瓷是一种能将机械能和电能互相转化的功能陶瓷材料,这种转化就叫做压电效应。当电信号传输到IDT换能器上时,通过压电效应,电信号转化为声波信号,在SAW滤波器内部,SAW滤波器通过声波的选择性进行信号处理,然后通过IDT2,将声波信号转换为电信号。

换能器产生双向横向滤波器。这是因为频率波在-X和+ X方向上均等地产生。输出换能器产生的波仅是全波的1/2。因此,如果从输出波中观察到3dB的损耗,则意味着来自输入和输出换能器的总信号的插入损耗为6dB。每个换能器均由连接到两个母线的周期性叉指式电极组成,两个母线连接到电源(或负载)。振幅将由电极长度决定,相位由电极位置决定。电极的波长决定了SAW滤波器的工作频率。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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