CN103557926B - 基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，解决了现有封装结构对水听器灵敏度损失严重的问题。本发明包括内置信号处理电路板金属管壳，金属管壳顶部延设有缩径管壳，缩径管壳顶部接待注油孔的支撑圆盘，支撑圆盘上安装有硬支架，硬支架上固定带敏感柱体的四梁敏感微结构，支撑圆盘上设有由丁腈橡胶制作而成的透声帽。本发明针对现有MEMS矢量水听器的封装结构，从透声帽材料、水听器尺寸等方面进行了改进。选用丁腈橡胶材料，在不影响矢量水听器指向性的情况下，提高了水听器的灵敏度，拓宽了水听器频带，并使水听器的封装进一步小型化，具有良好应用前景。

Description

基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器

技术领域

本发明涉及MEMS仿生矢量水听器，具体是一种基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器。

背景技术

专利号为CN201210089010.8的中国发明专利申请公开了一种“MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构”，此封装结构为目前灵敏度最高的封装结构，但是此封装结构仍然会对灵敏度造成一定程度的损失，使现有水听器的灵敏度小于水听器裸测的灵敏度。此水听器的工作频率上限为2400Hz，如须拓宽频带，必须使封装结构的固有频率大于水听器的工作频率上限或者小于水听器工作频率下限，若提高水听器共振频率，须增加帽子的厚度，然而帽子的厚度的增加又会使透声效果减弱，对水听器灵敏度损失比较严重。因此，我们考虑将封装的的固有频率减小到小于水听器工作频率下限。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水听器的封装结构对水听器灵敏度损失严重的问题，而提供一种基于丁腈橡胶(NBR)帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，包括金属管壳，金属管壳内安置有信号处理电路板，金属管壳的底部管口上设有堵头，堵头上接输出电缆，金属管壳的顶部延设有缩径管壳，缩径管壳的顶部固接有开设中心通孔的支撑圆盘，支撑圆盘上设有注油孔，支撑圆盘的上表面沿边缘设有一圈环形卡槽，支撑圆盘上表面中心位置设有凸台，凸台的中心位置开设有卡槽，卡槽内卡置有硬支架（所述的硬支架即为不锈钢材料制成刚性支架，上半部分为空心托盘，下半部分为空心圆柱，用来固定四梁敏感微结构，并把四梁敏感微结构与金属管壳连接起来），硬支架上固定有粘结敏感柱体的四梁敏感微结构，四梁敏感微结构的输出端连接导线，导线穿过硬支架、支撑圆盘的中心通孔、缩径管壳、金属管壳后与金属管壳内的信号处理电路板的输入端连接，信号处理电路板的输出端连接导线，导线的另一端与堵头上的输出电缆连接；支撑圆盘上安装有透声帽，金属管壳、缩径管壳、支撑圆盘、硬支架、敏感柱体、四梁敏感微结构和透声帽都位于同一轴线上；所述的透声帽是由丁腈橡胶制作而成的，透声帽包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在支撑圆盘上表面的环形卡槽内，并且透声帽内通过支撑圆盘上的注油孔充注有硅油，并保证透声帽内无气泡。

进一步地，透声帽内还设有支撑架，所述的支撑架包括两个呈十字交叉连接的U形架，两个U形架四个端部共同固定在一个连接环上，连接环螺纹连接在支撑圆盘上表面的凸台上，支撑架的整体尺寸形状与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合。

支撑圆盘的直径为28mm，进一步缩小了水听器的最大径；透声帽的空心柱体的外径为25.1mm、内径为25mm、高为14mm，透声帽的空心半球外径为25.1mm、内径为25mm，透声帽的整体高度为26.55mm。

本发明所设计的基于丁腈橡胶帽封装结构的尺寸设计必须保证透声帽与内部支撑体无缝隙地牢固结合，同时，必须保证透声帽与金属管壳无缝隙地牢固结合。并且，金属管壳的尺寸应该根据水听器小型化的原则，结合内部支撑体的尺寸和丁腈橡胶帽的封装，保证水听器内部结构紧凑。

由于丁腈橡胶帽有如下优点：透声性能好，耐海水腐蚀，成型方便，造价低。因此，本发明中选用丁腈橡胶材料代替聚氨酯材料制作透声帽。选用基于丁腈橡胶帽封装的水听器的接收灵敏度曲线较平坦，且丁腈橡胶帽透声性能好，几乎不损失灵敏度，与裸片的灵敏度的测试结果几乎一致，共振频率降低到50HZ以下，使水听器所感兴趣的频段不会受到封装谐振的干扰，拓宽了水听器的工作频率。

我们已知透声帽的厚度越小，其透声性能越强。因此0.05mm厚的丁腈橡胶封装，透声性能极好，可以显著提高水听器的灵敏度。为了对比透声帽材料改进对水听器灵敏度和频响的影响，体现丁腈橡胶帽封装的优越性，我们利用声学仿真软件virtual.lab对本发明透声帽内外声场进行仿真，我们所关心的是流体（介质硅油）与结构（透声帽）的相互作用。

具体仿真过程如下：

用ANSYS软件建立了下半部分为空心圆柱上半部分为空心半球壳体透声帽和透声帽内部支撑架的有限元模型，对透声帽和内部支撑架底部进行全约束，再对其进行模态分析，得出丁腈橡胶帽加内部支撑架的共振频率，如表1所示。图4为本发明封装结构部分仿真模型的一阶模态图。

表1丁腈橡胶帽加内部支撑架的模态分析结果

模态	一阶	二阶	三阶	四阶	五阶	六阶	七阶	八阶
									频率（Hz）	42.988	42.995	43.060	43.179	45.513	45.706	45.715	45.779

由表1可知丁腈橡胶帽加内部支撑架共振频率在50HZ以下，不会干扰水听器所感兴趣的频段。

用ANSYS软件建立了下半部分为空心圆柱上半部分为空心半球壳体透声帽、透声帽内支撑架、透声帽内硅油与透声帽外海水的有限元三维模型，导入声学仿真软件Virtual.lab；在透声帽外的海水里和透声帽内的硅油里分别定义A、B两个场点；定义声源强度为1Pa；提取透声帽内外场点的声压值（仿真频率范围50Hz-4000Hz），仿真结果如图5所示。

由图5可看出，在50Hz-4000Hz，丁腈橡胶帽封装内B场点的声压曲线没有谐振峰，曲线较平坦。分析其原因，当声源频率为50Hz-4000Hz时，水听器接收的声源频率大于丁腈橡胶帽封装的共振频率，丁腈橡胶帽封装和内腔液体没有发生谐振，所以曲线较平坦。因此，在水听器感兴趣的频率范围（50Hz-4000Hz），丁腈橡胶透声帽封装内场点声压值基本不变，即水听器灵敏度曲线较平坦。

同时从图5可看出，用丁腈橡胶帽封装时，B点的声压比A点的声压要稍微小点，但不超过2dB，也就是说用丁腈橡胶帽封装在声压传递的过程中基本不会对声压造成损失。基于丁腈橡胶的封装极大地提高了水听器的灵敏度。

本发明是在不影响矢量水听器“8”字形矢量指向性的前提下设计的。为此，我们对改进封装后的水听器样机进行灵敏度和指向性测试。在驻波桶中，分别对未封装的裸片、普通桔瓣式封装（桔瓣内支撑体+聚氨酯帽）和本发明结构丁腈橡胶封装进行灵敏度测试，为保证结果的准确性，对同一支芯片不同封装进行测试。丁腈橡胶封装与裸片、普通桔瓣式封装水听器频响对比曲线如图6所示。测试结果表明：本发明封装水听器接收灵敏度与芯片的裸测灵敏度几乎一致，频响范围为50Hz-4000Hz，频响曲线平坦，在频率响应范围内灵敏度起伏2dB。较普通桔瓣式封装，灵敏度有很大的提高，频响曲线也更加平坦，进一步拓宽了水听器的工作频率。图7和图8分别为测试频率是100Hz和1250Hz时，水听器指向性图。测试结果表明：具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38dB，且指向性曲线平滑。

本发明针对现有MEMS矢量水听器的封装结构，从透声帽材料、水听器尺寸等方面进行了改进。选用丁腈橡胶材料，在不影响矢量水听器指向性的情况下，提高了水听器的频率，拓宽了水听器频带，并使水听器的封装进一步小型化，具有良好应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明结构中支撑架的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明封装结构部分仿真模型的一阶模态图。

图5为丁腈橡胶透声帽A、B场点声压响应曲线。

图6为丁腈橡胶封装与裸片、普通桔瓣式封装水听器频响对比曲线。

图7为测试频率是100Hz时，本发明水听器X方向指向图。

图8为测试频率是1250Hz时，本发明水听器X方向指向图。

图中：1-金属管壳、2-信号处理电路板、3-堵头、4-输出电缆、5-缩径管壳、6-支撑圆盘、7-注油孔、8-凸台、9-硬支架、10-敏感柱体、11-四梁敏感微结构、12-导线、13-透声帽、14-硅油、15-支撑架、15-1-U形架、15-2-连接环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1至图3所示，一种基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，包括金属管壳1，金属管壳1内安置有信号处理电路板2，金属管壳1的底部管口上设有堵头3，堵头3上接输出电缆4，金属管壳1的顶部延设有缩径管壳5，缩径管壳5的顶部固接有开设中心通孔的支撑圆盘6，支撑圆盘6上设有注油孔7，支撑圆盘6的上表面沿边缘设有一圈环形卡槽，支撑圆盘6上表面中心位置设有凸台8，凸台8的中心位置开设有卡槽，卡槽内卡置有硬支架9，硬支架9上固定有粘结敏感柱体10的四梁敏感微结构11，四梁敏感微结构11的输出端连接导线12，导线12穿过硬支架9、支撑圆盘6的中心通孔、缩径管壳5、金属管壳1后与金属管壳1内的信号处理电路板2的输入端连接，信号处理电路板2的输出端通过导线12与堵头3上的输出电缆4连接；支撑圆盘6上安装有透声帽13，金属管壳1、缩径管壳5、支撑圆盘6、硬支架9、敏感柱体10、四梁敏感微结构11和透声帽13都位于同一轴线上；所述的透声帽13是由丁腈橡胶制作而成的，透声帽13包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在支撑圆盘6上表面的环形卡槽内，并且透声帽13内通过支撑圆盘6上的注油孔7充注有硅油14。

具体实施时，透声帽13内还设有支撑架15，所述的支撑架15包括两个呈十字交叉连接的U形架15-1，两个U形架15-1四个端部共同固定在一个连接环15-2上，连接环15-2螺纹连接在支撑圆盘6上表面的凸台8上，支撑架15的整体尺寸形状与透声帽13内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合。

支撑圆盘6的直径为28mm；透声帽13的空心柱体的外径为25.1mm、内径为25mm、高为14mm，透声帽13的空心半球外径为25.1mm、内径为25mm，透声帽13的整体高度为26.55mm。

Claims (3)

1.一种基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，包括金属管壳（1），金属管壳（1）内安置有信号处理电路板（2），金属管壳（1）的底部管口上设有堵头（3），堵头（3）上接输出电缆（4），金属管壳（1）的顶部延设有缩径管壳（5），缩径管壳（5）的顶部固接有开设中心通孔的支撑圆盘（6），支撑圆盘（6）上设有注油孔（7），支撑圆盘（6）的上表面沿边缘设有一圈环形卡槽，支撑圆盘（6）上表面中心位置设有凸台（8），凸台（8）的中心位置开设有卡槽，卡槽内卡置有硬支架（9），硬支架（9）上固定有粘结敏感柱体（10）的四梁敏感微结构（11），四梁敏感微结构（11）的输出端连接导线（12），导线（12）穿过硬支架（9）、支撑圆盘（6）的中心通孔、缩径管壳（5）、金属管壳（1）后与金属管壳（1）内的信号处理电路板（2）的输入端连接，信号处理电路板（2）的输出端通过导线（12）与堵头（3）上的输出电缆（4）连接；支撑圆盘（6）上安装有透声帽（13），金属管壳（1）、缩径管壳（5）、支撑圆盘（6）、硬支架（9）、敏感柱体（10）、四梁敏感微结构（11）和透声帽（13）都位于同一轴线上；其特征在于：所述的透声帽（13）是由丁腈橡胶制作而成的，透声帽（13）包括空心圆柱体，空心圆柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心圆柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在支撑圆盘（6）上表面的环形卡槽内，并且透声帽（13）内通过支撑圆盘（6）上的注油孔（7）充注有硅油（14）；透声帽（13）的厚度为0.05mm。

2.根据权利要求1所述的基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，其特征在于：透声帽（13）内还设有支撑架（15），所述的支撑架（15）包括两个呈十字交叉连接的U形架（15-1），两个U形架（15-1）四个端部共同固定在一个连接环（15-2）上，连接环（15-2）螺纹连接在支撑圆盘（6）上表面的凸台（8）上，支撑架（15）的整体尺寸形状与透声帽（13）内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合。

3.根据权利要求1所述的基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器，其特征在于：支撑圆盘（6）的直径为28mm；透声帽（13）的空心圆柱体的外径为25.1mm、内径为25mm、高为14mm，透声帽（13）的空心半球外径为25.1mm、内径为25mm，透声帽（13）的整体高度为26.55mm。