CN101893477B - 一种测量传声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量传声器，包括传声器主体、电缆以及电源盒，所述的电源盒通过电缆为传声器主体供电；其中，传声器主体包括传感元件、信号调理电路板和传声器外壳，传感元件和信号调理电路板都安装在传声器外壳内，信号调理电路板的一端通过连接线与传感元件连接，另一端与电缆通过焊接方式连接，且通过电缆与电源盒连接。本发明的传声器可以作为测量传声器使用，由于使用工业批次生产的传感元件制作，相比传统测量传声器的成本相对要低；传声器外壳上设有定位面，可以精确定位；传声器灵敏度稳定，即使外壳螺纹松动，传声器灵敏度也不会发生改变；传声器电源体积小，重量轻，并且采用电池供电，无交流干扰，使用方便，不受外界电源条件限制。

Description

一种测量传声器

技术领域

本发明涉及声学测量领域，具体来说是一种测量传声器。

背景技术

传声器是一种将声信号转换为声频电信号的换能器，在声学测量、航空声学、建筑声学、环境声学等诸多领域中广泛使用，是一种基本的声学器件。按照换能原理分类，传声器可分为电动式(动圈式、铝带式)，电容式(直流极化式)、压电式(晶体式、陶瓷式)、以及电磁式、碳粒式、半导体式、驻极体以及最近新兴的硅微传声器、液体传声器和激光传声器等。应用在声学测量领域的测量传声器要求有较高的精度和灵敏度，宽而平直的频率特性，足够的动态范围，良好的长期稳定性，并且传声器的体积要小，满足没有指向性的要求，以免干扰被测声场。早期曾经使用晶体传声器和动圈传声器，但它们的频率响应和稳定性都不太好。

目前大多数使用的测量传声器传声器主体分为3段，如图1所示，前端传感膜片安装段11内部安装有传感膜片14；中间是连接段12，将传感膜片安装段11的外径直接转换到前置放大器安装段13的外径；后端是前置放大器安装段13，内部安装前置放大器15，并与后面的电缆2相连接。各段内部通过弹簧实现挤压式接触连接，各段之间通过外壳螺纹连接，这样设计的好处是传感膜片14和前置放大器15可以分开放置，并且如果其中一部分出现问题可以更换，但在实际使用过程中，为了保证传声器灵敏度的稳定，一般不会更换膜片或者前置放大器15，而在使用过程中还发现前端传感膜片安装段11与连接段12间螺纹连接处容易松动，使得两段内部的触点接触面积发生改变，影响传声器的灵敏度。目前最常用的是电容传声器。电容传声器的灵敏度高，频率响应宽而平直，稳定性好(其灵敏度随温度、湿度、气压和时间等环境条件的变化很小)，但由于市场销量较小，价格比较昂贵，使得声学测量的成本一直居高不下。随着噪声控制工程的发展和测量技术的进步，需要的传声器数量越来越多，比如进行空间声场变换、声源定位等都需要数量较多、精度较高的传声器，因此寻求一种既能够满足测量要求，同时又成本低廉的测量传声器成为声学研究领域的迫切需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种可以满足测量要求，且成本低廉的测量传声器，包括传声器主体、电缆以及电源盒，所述的电源盒通过电缆为传声器主体供电；其中，传声器主体包括传感元件、信号调理电路板和传声器外壳，传感元件和信号调理电路板都安装在传声器外壳内，信号调理电路板的一端通过连接线与传感元件连接，另一端与电缆通过焊接方式连接，且通过电缆与电源盒连接；

所述传声器外壳分为四段，由前到后依次为传感元件安装段、转换段、信号调理电路板安装段和电缆连接段，所述的传感元件安装段、转换段、信号调理电路板安装段和电缆连接段之间依次采用细牙螺纹连接；

传感元件安装段用来将传感元件安装固定，并通过由传感元件安装段后部设置一个定位塞；转换段用来将传感元件安装段过渡到信号调理电路安装段；信号调理电路板安装段用于安装信号调理电路板，传感元件在信号调理电路板安装段中通过连接线与信号调理电路板连接；电缆连接段用来放置电缆，电缆的一端在电缆连接段前端处与信号调理电路板连接；

电缆的另一端连接有电源盒，电源盒通过电缆与信号调理电路板连接；电源盒通过电缆给信号调理电路板供电，同时将信号调理电路板发送的电信号传送入电源盒；

信号调理电路板由滤波模块、阻抗调节模块、电压转换模块组成；

电压变换模块主要是用于给传感元件提供工作电压；传感元件的输出电信号经过滤波模块的滤波后经电容C7的进入阻抗调节模块实现阻抗调节与电压跟随。

本发明优点在于：

1、本发明的传声器可以作为测量传声器使用，相比传统测量传声器的成本相对要低；

2、传声器外壳上设计了一个定位面，在进行管道壁面测量时，可以进行精确定位；

3、传声器灵敏度稳定，即使外壳螺纹松动，传声器灵敏度也不会发生改变；

4、传声器电源体积小，重量轻，并且由于采用电池供电，无交流干扰，使用方便，不受外界电源条件限制。

附图说明

图1是常见的电容式测量传声器；

图2是本发明测量传声器整体结构示意图；

图3是本发明传声器主体装配示意图；

图4是本发明传声器主体外壳内的定位塞俯视图；

图5是本发明传声器主体外壳内的压线片侧视图；

图6是本发明传声器中信号调理电路图；

图7是本发明传声器中电源盒的盒体底座结构俯视图；

图8是本发明中电源盒的底座侧视图；

图9是本发明中电源盒的盒体侧剖图；

图10是本发明中电源盒内的电压监测电路图。

图中：

1-传声器主体        2-电缆                 3-电源盒             4-传感元件

5-信号调理电路板    6-传声器外壳           601-传感元件安装段   602-转换段

603-信号调理电路    604-电缆连接段         605-定位塞           606-压线片

板安装段

607-尾罩            501-滤波模块           502-阻抗调节模块     503-电压转换模块

301-盒体            302-电池               303-监测电路板       304-底座

305-顶盖            306-开关               307-指示灯           309-输入端子

310-输出端子        311-电池安装座         312-监测电路板安装座 7-凹槽A

8-凹槽B             9-定位面               10-平头螺钉          11-传感膜片安装段

12-连接段           13-前置放大器安装段    14-传感膜片          15-前置放大器

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种测量传声器，如图2所示，包括传声器主体1、电缆2以及电源盒3，所述的电源盒3通过电缆2为传声器主体1供电。其中，传声器主体1包括传感元件4、信号调理电路板5和传声器外壳6，如图3所示，传感元件4和信号调理电路板5都安装在传声器外壳6内，信号调理电路板5的一端通过连接线与传感元件4连接，另一端与电缆2通过焊接方式连接，且通过电缆2与电源盒3连接。

所述传声器外壳6分为四段，由前到后依次为传感元件安装段601、转换段602、信号调理电路板安装段603和电缆连接段604，如图3所示，传声器外壳6壁厚较薄，内为中空管道，所述的传感元件安装段601、转换段602、信号调理电路板安装段603和电缆连接段604之间依次采用细牙螺纹连接。

为使本发明具有更好的通用性，并考虑到目前传声器主要应用于各种管道实验的壁面声压测量，传感元件安装段601外径为6.35mm，电缆连接段604外径为12.7mm，这个尺寸与目前市场上常见的测量传声器尺寸一致，便于互换使用，同时也够使用一些通用的标准声源(如B&K公司的4228，4230等)对传声器进行校准。

传感元件安装段601用来将传感元件4安装固定，并通过由传感元件安装段601后部设置一个定位塞605，对传感元件4进行定位，同时也防止了传感元件4的各根连接线发生短接。所述的定位塞605采用绝缘的有机玻璃材料，由于传感元件4需通过连接线与信号调理电路板5连接，因此在定位塞605侧壁开有至少一个凹槽A7，用来通过传感元件4的连接线，如图4所示，所述定位塞605的外径与传感元件安装段601的内径紧固配合。

所述的转换段602的内径和前端外径分别与传感元件安装段601的内径和外径相同，转换段602的后端外径逐渐增大，最后与电缆连接段604的外径之间平滑过渡连接。转换段602为内径2mm的管道，内部贯通布置传感元件4的连接线。在转换段602的外周上设计有一垂直于转换段602轴向的定位面9，用于传声器在进行壁面测量之前的安装定位，保证测量精度，由此避免了目前市场上的测量传声器的转换段602在进行壁面测量时缺乏一个定位面，使传声器位置的定位精度降低，进而影响测量精度。在转换段602的后部沿轴向开有一个宽度为1.2mm的凹槽B8，用于固定信号调理电路板5，防止其在外壳内部旋转。

信号调理电路板安装段603为一内径为8mm的直管，用于安装信号调理电路板5，传感元件4在信号调理电路板安装段603中通过连接线与信号调理电路板5连接，传感元件4的信号需要进入信号调理电路板5中进行调理才能作为传声器信号传入其他仪器设备。电缆连接段604用来放置电缆。为了便于组装，使信号调理电路板安装段603的长度小于信号调理电路板5的长度，由此信号调理电路板5的一部分插入602的凹槽B中进行固定后，仍有部分信号调理电路板5露在信号调理电路板安装段603外部且将电缆连接段604的前端内径设计为与信号调理电路板安装段603内径相等的8mm，用于放置露在信号调理电路板安装段603外部的信号调理电路板5，且使信号调理电路板5固定，并通过尾罩607与电缆连接段螺纹连接。

电缆2的一端在电缆连接段604前端处通过焊接方式与信号调理电路板5连接，这种连接无法自由拆卸，即使传声器外壳6各段间的螺纹连接发生松动也不会导致传声器灵敏度发生变化。电缆连接段604后端内径是6mm。如图5所示，在电缆连接段604内可通过半弧形压线片606将电缆2固定压紧，此半弧形压线片606的曲率半径大于电缆截面的曲率半径，将线压紧以后可以保证内部电缆与信号调理板的连接处不会受到外部的拉力，以防接触断开

电缆2的另一端连接有电源盒3，电源盒3通过电缆2与信号调理电路板5连接。电源盒3通过电缆2给信号调理电路板5供电，同时将信号调理电路板5发送的电信号传送入电源盒3。

在本实施例中，所述传感元件4采用Knowles公司基于MEMS技术生产的FG系列传感元件FG-23629-P16，这种传感元件性能稳定，而且由于目前已经实现了大规模生产，因而大大降低了传声器的成本。FG-23629-P16的性能参数见表1。

表1 FG23629-P16的性能参数

所述电缆2使用三芯屏蔽电缆，电缆2与信号调理电路板5的连接采用焊接方式，与电源盒3连接的一端采用三针航空接头连接。

本发明中所述信号调理电路板5，如图6所示，主要由滤波模块501、阻抗调节模块502、电压转换模块503组成。

滤波模块501用于对传感元件4的输出信号进行滤波，滤波模块501的电路结构主要包括电容C1(20PF)、电容C2(20PF)、电阻R2(4.2kΩ)和电容C7(10μF)，传感元件4具有三个输出引脚，其中的第一引脚接地，第二引脚为输出信号线，第三引脚为电源线，其中输出信号线输出的电信号首先经过π型滤波，然后再经过电容C7，实现对直流电压的滤波。在滤波模块501中电容C3(20PF)、C4(20PF)并联在传感元件4中的地线与电源线间，；电容C1、C2并联在传感元件4中的地线与输出信号线间；电阻R1(4.2kΩ)连接在电源线与电容C4之间；电阻R2连接在传感元件4中的输出信号线与电容C7之间。

阻抗调节模块502采用SOT23-5封装的低成本、微功耗，具有完全关断功能麦克风前置放大芯片(Low-Cost，Micropower，SOT23-5，Microphone Preamplifiers with CompleteShutdown)。阻抗调节模块502用来与测量仪器进行阻抗匹配，另外还实现了电压跟随。本实施例选用MAX4465芯片进行说明，传感元件4的输出电信号经过滤波模块501的滤波后经电容C7的进入MAX4465芯片，实现阻抗调节(低阻抗改变为高阻抗)与电压跟随。

滤波模块501中的电容C7与阻抗调节模块502中MAX4465芯片的1端连接，MAX4465芯片的2端接地，MAX4465芯片的3端与MAX4465芯片的4端连接，电缆具有三个输出引脚，其中的第一引脚为输出信号线，第二引脚接地，第三引脚为电源线，电缆2的第一引脚与MAX4465芯片的4端连接，使传感元件4输出的电信号经过滤波和阻抗调节之后输出进入电源盒3；MAX4465芯片的5端与电阻R3(1MΩ)连接，电阻R3与MAX4465芯片的1端以及电阻R4(1MΩ)连接，电阻R4与R3串联后接地。

电压变换模块503主要是用于给传感元件4提供工作电压。电源盒3经电缆2中第三引脚引入到信号调理电路的供电电压是5V，由于传感元件4的工作电压是1.3V，因此电压变换模块503需要将5V直流电压变换为1.3V后再为传感元件4供电。因此本发明采用一个SOT23-5封装的低压可调精密并联稳压器(Low-Voltage Adjustable Precision ShuntRegulator)来实现电压的调节，本实施例选用的为RC431A芯片。电压变换模块503中RC431A芯片的1端、2端悬空，3端与滤波电路中的电容C4连接，电阻R7(2KΩ)的与R8(10KΩ)串联后连接在RC431A芯片的3端与5端之间，RC431A芯片的4端连接在电阻R7、R8的连接处。在RC431A芯片的3端与5端之间还并联有电容C5(4.7μF)、C6(4.7μF)、C8(4.7μF)，且其中电容C5与C8间串联电阻R9(1K)，电容C8与阻抗调节模块502中的电阻R3以及MAX4465芯片的5端连接，5端接地，5V电压经过电压稳定模块中的RC431A芯片调节为1.3V电压，由3端输出，然后再给传感元件4供电。

由于信号调理电路板5与传感元件4的工作电压是5V的直流电压，因此电源盒3需要能够提供稳定可监测的5V直流电压。由此本发明电源盒3采用通过电池302对信号调理电路板5与传感元件4进行供电，电池302供电的电压纯净，无交流干扰，无需依赖外部电源。出于减少交流干扰的考虑，且由于信号调理电路5和传感元件4功耗比较低，因此即使使用电池302供电，仍可以保证长期的使用。但由于电池302在使用过程中电压会逐渐降低，因此采用这种方式供电需要一个电压监控电路303来对电池的电压进行实时监控，以保证在电压过低时可以及时更换电池302，如图7、图8、图9所示，所述电源盒包括盒体301、电池302，监测电路板303、电池安装座、监测电路安装座。其中，所述盒体301由底座304和顶盖305组成，底座304内部设置有用于固定通用的5号电池的电池安装座311和固定监测电路板安装座303的结构，同时在底座304侧板上开有四个孔，分别用来安装开关307、指示灯308和输入端子309、输出端子310。在电池安装座311和监测电路板303以及输入端子309、输出端子310、指示灯308和开关307安装完毕后，用四个M2平头螺钉312将顶盖305固定在底座上，将盒体301密封。所述指示灯308、输入端子309与输出端子310分别为发光二极管LED、三针航空接头与BNC接头。

所述电池302采用的是3节电压为3.0V的CR14505型锂电池串联，这种电池302相对于普通的碱性电池寿命要长得多，只是放电电流较小，但是已足够本发明中的信号调理电路板5和传感元件4使用。因此，采用这种电池可以大大延长电源盒3的使用时间，不必经常更换电池。3节电池302安装在通用的5号电池安装座311上。

所述监测电路板303用来监测电池302的电压，如果电压高于设定最小输出电压，那么电源盒3的指示灯307会亮；如果电压低于设定最小输出电压，那么指示灯307会自动熄灭，提醒用户更换电池302。监测电路板303的电路图如图10所示，其中发光二极管LED两端为电压输出端U+和U-，电阻R10(10KΩ)和滑动变阻器R12(10KΩ)串联后与电源并联，电阻R11(9.1KΩ)与晶体管D1、D2串联后与电源并联，运算放大器OPAMP的1端接在电阻R11与晶体管D1之间，2端接在电阻R10和滑动变阻器R12之间，运算放大器OPAMP的4端连接电压输出端U-，3端连接电阻R11，电阻R13与发光二极管LED串联后并联在运算放大器OPAMP的5端与的4端间；在运算放大器OPAMP的3端与4端间并联有9V电池与开关S1连接如果输出电压高于设定最小输出电压，那么电路正常工作，发光二极管LED会正常发光；如果输出电压小于设定最小输出电压，那么此时发光二极管LED会熄灭。通过监测电路板303可以放心的使用电池302进行供电，而不必担心何时应该更换电池302的问题。

Claims (10)

1.一种测量传声器，其特征在于：包括传声器主体、电缆以及电源盒，所述的电源盒通过电缆为传声器主体供电；其中，传声器主体包括传感元件、信号调理电路板和传声器外壳，传感元件和信号调理电路板都安装在传声器外壳内，信号调理电路板的一端通过连接线与传感元件连接，另一端与电缆通过焊接方式连接，且通过电缆与电源盒连接；

所述传声器外壳分为四段，由前到后依次为传感元件安装段、转换段、信号调理电路板安装段和电缆连接段，所述的传感元件安装段、转换段、信号调理电路板安装段和电缆连接段之间依次采用细牙螺纹连接；

传感元件安装段用来将传感元件安装固定，并通过由传感元件安装段后部设置一个定位塞；转换段用来将传感元件安装段过渡到信号调理电路安装段；信号调理电路板安装段用于安装信号调理电路板，传感元件在信号调理电路板安装段中通过连接线与信号调理电路板连接；电缆连接段用来放置电缆，电缆的一端在电缆连接段前端处与信号调理电路板连接；

电缆的另一端连接有电源盒，电源盒通过电缆与信号调理电路板连接；电源盒通过电缆给信号调理电路板供电，同时将信号调理电路板发送的电信号传送入电源盒；

信号调理电路板由滤波模块、阻抗调节模块、电压转换模块组成；

电压转换模块主要是用于给传感元件提供工作电压；传感元件的输出电信号经过滤波模块的滤波后经电容C7的进入阻抗调节模块实现阻抗调节与电压跟随。

2.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：传感元件安装段外径为6.35mm，电缆连接段外径为12.7mm，转换段为内径2mm的管道，转换段的内径和前端外径分别与传感元件安装段的内径和外径相同。

3.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：定位塞采用绝缘的有机玻璃材料，定位塞侧壁开有至少一个凹槽A，定位塞的外径与传感元件安装段的内径紧固配合。

4.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：在转换段的外周上设计有一垂直于转换段轴向的定位面；在转换段的后部沿轴向开有凹槽B。

5.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：所述信号调理电路板安装段的长度小于信号调理电路板的长度，电缆连接段的前端内径与信号调理电路板安装段内径相等。

6.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：所述电缆连接段内通过半弧形压线片将电缆固定压紧，半弧形压线片的曲率半径大于电缆截面的曲率半径。

7.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：滤波模块的电路结构主要包括电容C1、电容C2、电阻R2和电容C7，传感元件具有三个输出引脚，其中的第一引脚接地，第二引脚为输出信号线，第三引脚为电源线，其中输出信号线输出的电信号首先经过π型滤波，然后再经过电容C7，实现对直流电压的滤波；在滤波模块中电容C3、C4并联在传感元件中的地线与电源线间；电容C1、C2并联在传感元件中的地线与输出信号线间；电阻R1连接在电源线与电容C4之间；电阻R2连接在传感元件4中的输出信号线与电容C7之间；

滤波模块中的电容C7与阻抗调节模块中MAX4465芯片的1端连接，MAX4465芯片的2端接地，MAX4465芯片的3端与MAX4465芯片的4端连接，电缆具有三个输出引脚，其中的第一引脚为输出信号线，第二引脚接地，第三引脚为电源线，电缆的第一引脚与MAX4465芯片的4端连接，使传感元件输出的电信号经过滤波和阻抗调节之后输出进入电源盒；MAX4465芯片的5端与电阻R3连接，电阻R3与MAX4465芯片的1端以及电阻R4连接，电阻R4与R3串联后接地；

电压变换模块中RC431A芯片的1端、2端悬空，3端与滤波电路中的电容C4连接，电阻R7与R8串联后连接在RC431A芯片的3端与5端之间，RC431A芯片的4端连接在电阻R7、R8的连接处；在RC431A芯片的3端与5端之间还并联有电容C5、C6、C8，且其中电容C5与C8间串联电阻R9，电容C8与阻抗调节模块中的电阻R3以及MAX4465芯片的5端连接，5端接地，5V电压经过电压稳定模块中的RC431A芯片调节为1.3V电压，由3端输出，然后再给传感元件供电。

8.如权利要求1所述一种测量传声器，其特征在于：所述电源盒包括盒体、电池，监测电路板、电池安装座、监测电路板安装座；其中，盒体由底座和顶盖组成，底座内部设置有用于固定电池的电池安装座和固定监测电路板的监测电路板安装座，底座侧板上开有四个孔，用来安装开关，指示灯、输入端子与输出端子；顶盖固定在底座上，将盒体密封；所述监测电路板用来监测电池的电压。

9.如权利要求8所述一种测量传声器，其特征在于：所述指示灯、输入端子与输出端子分别为发光二极管LED、三针航空接头与BNC接头。

10.如权利要求8所述一种测量传声器，其特征在于：所述监测电路板中，发光二极管LED两端为电压输出端U+和U-，电阻R10和滑动变阻器R12串联后与电源并联，电阻R11与晶体管D1、D2串联后与电源并联，运算放大器OPAMP的1端接在电阻R11与晶体管D1之间，2端接在电阻R10和滑动变阻器R12之间，运算放大器OPAMP的4端连接电压输出端U-，3端连接电阻R11；电阻R13与发光二极管LED串联后并联在运算放大器OPAMP的5端与4端间；在运算放大器OPAMP的3端与4端间并联有9V电池与开关S1。

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