CN107687890A - 具有喇叭结构的矢量传声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有喇叭结构的矢量传声器。本发明包括支撑杆，在所述支撑杆的上端内嵌有声压麦克风，在支撑杆的相邻两侧分别贴有x向带喇叭口的敏感元件和y向带喇叭口的敏感元件，用于测量每个方向的振速信息；所述的喇叭口用于通过增加声波流速。本发明运用喇叭口增敏结构来提高热丝式矢量传声器的灵敏度。提出基于热丝结构的矢量传声器敏感单元结构并应用串联式的镜像电桥前置放大电路结构，提高了信噪比。
Description
技术领域
本发明主要涉及新型的热丝式矢量传声器，特别涉及一种具有喇叭口增敏结构的矢量传声器。
背景技术
声学测量在工业制造、环境检测以及国防工业发展中有着极其重要的作用。声学测量可以应用于噪声振动的测量、材料特性测量、声源定位等。
声学测量中获取声场信息的两个基本物理量是声压和质点振速。声波是媒质质点振动的传播，当固定体积内的质点增加或减少时，会引起媒质质点运动。声压可以看作是瞬时一个确定的较小体积内质点数量的增加和减少所产生的结果。声压是标量，只表征声场被测点处的动态压力大小，而质点振速是矢量，表征质点在声场作用下的运动速度，以及运动方向的物理量。也就是说，质点振速能够表征声波能量流来自什么方向并朝着什么方向传递。声压和质点振速反映了声场的不同特性，两个参量值能获得完整的声场信息。
目前所使用的传声器一般为动圈式传声器和电容式传声器，动圈式传声器是基于电磁感应原理，电容式传声器是改变两极板之间的距离，使电容量发生相应的变化。这两种传声器都具有体积小、价格便宜等的优点，但是这两种传声器都是标量传声器，都只能获得标量信息，不能获得矢量信息。可以获得矢量信息的传声器目前是压差式传声器，它是通过空间上两点或者多点的声压差，即对声压梯度产生响应。但是间接测量方法具有一定的局限性，要两个传声器满足相位一致的要求，这也就使得测量范围受限。另外间接测量方法中测量频率与两个传声器的距离有关，在低频测量时要求传声器的距离较大，这也就使得测量器件尺寸难以实现小型化。因此研究能够用于空气中直接测量质点振速的传感器是十分必要的。国内学者对空气中测量质点振速技术的研究较少，但是矢量传声器与矢量水听器有着诸多相似之处，因此可以借鉴水声声学中的矢量信号处理技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有喇叭口增敏结构的矢量传声器，以解决上述背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有喇叭口增敏结构的矢量传声器，是通过两根热丝上的温度差来进行振速的测量，通过声压麦克风获得声压信息。设计前置放大电路，根据镜像电流源电路的特性，实现对两个热丝加载相同电流的同时，检测两热丝的阻值差。为了提高矢量传声器的灵敏度和测量结果的准确性，提出应用喇叭口增敏结构来提高矢量传声器的灵敏度。
选择设计合适的前置放大电路形式，一方面满足将热丝的温度差信息转换信号，另一方面控制电路的自噪声，满足高信噪比的要求。
将敏感单元矢量方向位置按照约定的角度摆放并且粘在支撑杆上，声压麦克风传感器安装在支撑杆的一端，将放大电路放置在电路板仓，利用导线将敏感元件与电路板连接。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明运用喇叭口增敏结构来提高热丝式矢量传声器的灵敏度。提出基于热丝结构的矢量传声器敏感单元结构并应用串联式的镜像电桥前置放大电路结构，提高了信噪比。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步的说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为500HZ下声波流速图；
图3为声波速度示意图；
图4为喇叭口敏感仿真图；
图5为镜像电路图；
图6为500HZ时X、Y方向振速指向性图；
图7为灵敏度曲线图；
图中：1、保护罩，2、x向喇叭口敏感元件，3、支撑杆，4、电路板仓，5、y向喇叭口敏感元件，6、MEMS声压麦克风传感器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明
如图1所示：本发明包括一个支撑杆3，在支撑杆的上端内嵌有MEMSensing公司生产的MSM262S4737Z0A声压麦克风传感器6，在支撑杆的相邻两侧分别贴有x向喇叭口敏感元件2和y向喇叭口敏感元件5，在支撑杆的外侧是具有保护作用的保护罩1，在保护罩的下面是放置电路元件的电路板仓4。
测量时，当声波作用在MEMS声压麦克风传感器是，通过电路连接可以直接测得声压信息。当声波透过喇叭口作用到敏感元件上，喇叭口增敏结构会增加透过喇叭口的声波流速。铂丝被加热到一定的温度，此时两根铂丝所在的空间温度场分布处于稳态，当声波作用时会引起质点振动，使靠近声源的第一根热丝上的温度降低，由热传递使介质获得一部分热量，第二根热丝上的温度也会降低，但相比第一根的温度降低的少。热丝上的温度变化使得热丝的阻抗发生变化，通过两根热丝的阻抗差值能够得到质点振速信息。由于流经敏感元件的声波流速增大，所以会提高矢量传声器的灵敏度。这样就可以测得两个方向的振速信息。
以下为对本发明作进一步说明：
1)矢量传声器的结构设计与制作
步骤1)敏感单元关键参数设计研究方案
一种具有喇叭口增敏结构的矢量传声器，声压信息获取直接采用MEMS声压麦克风传感器测量获得。在测量振速信息时，测量原理类似于风速计和热式流量计，传感部分由两根平行铂丝构成，两根丝线通过加工工艺刻蚀完成，二端固定在硅片电极上。两根铂丝既是加热单元也是传感器单元，铂丝被加热到一定的温度，此时两根铂丝所在的空间温度场分布处于稳态，当声波作用时会引起质点振动，使靠近声源的第一根热丝上的温度降低，由热传递使介质获得一部分热量，第二根热丝上的温度也会降低，但相比第一根的温度降低的少。热丝上的温度变化使得热丝的阻抗发生变化，通过两根热丝的阻抗差值能够得到质点振速信息。
为了进一步提高灵敏度，设计一种喇叭口结构的敏感单元增敏结构，如下图2所示，其基本原理是在声波入射方向，增加敏感单元附近质点振动速度，用有限元分析软件初步仿真的结果是，在声波频率为500Hz时，声波通过喇叭口进入热丝时，经过热丝的声波速度是刚进入喇叭口声波速度5倍多(约14dB)，如图3所示。并且通过软件仿真分析，可以得到在不同频率下的增益效果，由图4可知，在频率为10Hz～10KHz之间，放大倍数均在5.5倍以上，证明增益效果良好。
步骤2)前置放大电路设计研究方案。在热丝式敏感单元设计完成之后，需要有专门的前置放大电路将质点振速信息转换为电信号，其目的有两点：一是将热丝加热到一定温度，二是将热丝的温度差转换为电压信号，因此需要选择设计合适的前置放大电路形式，一方面满足将多组热丝的温度差信息转换信号，另一方面控制电路的自噪声，满足高信噪比的要求。通常利用惠斯通电桥加上外部的减法电路可实现电阻差的测量，但由于桥臂上电阻的精度问题，很难保证流经两热丝上的电流的一直性，进而引入直流失调误差，另外额外的减法电路也容易引入噪声。
本发明根据镜像电流源电路的特性，设计前置放大电路，实现对两个热丝加载相同电流的同时，检测两热丝的阻值差。具体实现原理如图5所示，电桥中R1和R2为传感器的两根热丝，R3和R4是控制电流的作用。镜像电流电桥是基于Widlar电流镜原理实现的，通过单电源供电实现对电阻差值变化的测量。电桥通过两个PNP晶体管，两个集电极电阻实现的。因为电桥在实现信号转换的同时，需要对热丝进行加热，通过电流加热热丝，电流不能过大，因此发射极串联的两个电阻起到限流的作用。假设静态时，R＝R1＝R2，ΔR1＝-ΔR2，电桥的两端电流为I，电桥输出交流电压信号为
2)矢量传声器性能评价
步骤1)指向性测试。
根据国家矢量传感器校准规范，进行矢量传声器的指向性测试。测试在省计量科学研究院全消声室测试，将矢量传声器对准扬声器，按一定角度间隔旋转转台，进行不同频率下的指向性测试。如图6所示，测试频率范围为50Hz～5kHz，下面给出频率为500HZ下的指向性图，可知，振速指向性呈‘8’字，表示指向性良好。
步骤2)灵敏度测试。
根据国家矢量传感器校准规范，进行矢量传声器的灵敏度测试。测试在省计量科学研究院全消声室测试，用矢量传声器指向性最大的方向对准声波传播方向，进行灵敏度测试。如图7所示，测试频率范围为50Hz～5kHz,声压灵敏度曲线基本平稳，灵敏度良好，两个方向的振速灵敏度基本一致，灵敏度良好。
Claims (4)
1.具有喇叭结构的矢量传声器，包括支撑杆，在所述支撑杆的上端内嵌有声压麦克风，其特征在于：在支撑杆的相邻两侧分别贴有x向带喇叭口的敏感元件和y向带喇叭口的敏感元件，用于测量每个方向的振速信息；所述的喇叭口用于通过增加声波流速。
2.根据权利要求1所述的具有喇叭结构的矢量传声器，其特征在于：所述的支撑杆的周向装有保护罩，在保护罩的下面是放置电路元件的电路板仓。
3.根据权利要求1所述的具有喇叭结构的矢量传声器，其特征在于：所述的敏感元件采用两根平行设置的铂丝，两根铂丝上的温度差反应了振速信息，两根铂丝通过MEMS加工工艺刻蚀完成。
4.根据权利要求3所述的具有喇叭结构的矢量传声器，其特征在于：采用前置放大器将所述的振速信息需要转换为电信号，所述的前置放大器是根据镜像电流源电路的特性设计而成，实现对两个铂丝加载相同电流的同时，检测两铂丝的阻值差。
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Application publication date: 20180213 |