CN107872761B - 用于测量扬声器的声学特征的压力梯度麦克风 - Google Patents

用于测量扬声器的声学特征的压力梯度麦克风 Download PDF

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Abstract

本发明题为：“用于测量扬声器的声学特征的压力梯度麦克风”。提供了一种用于测量扬声器的声学特征的差分压力梯度微机电系统(MEMS)麦克风。该麦克风包括MEMS麦克风外壳和安装在MEMS麦克风外壳中的顺应膜，该顺应膜将MEMS麦克风外壳划分为第一腔室和第二腔室。第一腔室包括朝顺应膜的第一侧面开口的主端口且第二腔室包括朝顺应膜的第二侧面开口的第二腔室，并且主端口和副端口相对于彼此调谐以控制顺应膜的第一侧面和第二侧面之间的压力差，使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风在麦克风信号输出中观测到至少10dB衰减。

Description

用于测量扬声器的声学特征的压力梯度麦克风
技术领域
本发明的实施方案涉及用于测量扬声器的音频特征的传感器，并且更具体地用于测量扬声器系统的位移、速度或加速度的麦克风。
背景技术
扬声器隔膜的位移或速度对于评估任何扬声器的特征来说可能是有用的参数。用于测量扬声器隔膜位移的当前技术包括使用光学传感器，例如激光位移传感器或换能器。然而，此类传感器遭受各种缺点的困扰，例如包括对目标材料的表面特征(例如，颜色、材料等)的敏感度。此外，相对于其他方案，诸如在扬声器隔膜上布置加速度计，加速信号必须加以结合(以产生速度信号)并且测量中的任何噪声将产生累积误差。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及用于间接测量扬声器的声学特征的差分压力梯度微机电系统(MEMS)麦克风。声学特征例如可为扬声器系统的位移、速度或加速度。代表性应用例如可包括扬声器保护(例如，偏移限制)，考虑或补偿体积速度的非线性(例如，偏移控制)、估计和/或其他运动反馈应用。在一个实施方案中，差分压力梯度MEMS麦克风置于扬声器的后腔中并且用于间接测量隔膜在扬声器中的位移、速度或加速度。然而，应当理解，为了使用MEMS麦克风准确估计扬声器的位移、速度和/或加速度，MEMS麦克风应当能够在限制在10％总谐波失真(THD)之前处理大于130分贝(dB)声压级(SPL)的工作水平。然而，传统MEMS麦克风具有130dB或更小的最大工作水平(定义为10％THD点)。因此，为了获得适用于本文所述的扬声器的工作水平，减小MEMS麦克风的敏感度使得麦克风不会过载。代表性的是，在一个实施方案中，MEMS麦克风为差分压力梯度MEMS麦克风，包括MEMS麦克风壳体，该壳体具有一个或多个阻性/反应性端口或位于其中的MEMS隔膜的前后侧之间的通道。例如，该壳体可具有MEMS隔膜正面的第一端口或主端口以及MEMS隔膜背面的第二端口或副端口。端口可相对于彼此调谐(例如，每个端口具有不同表面积、尺寸和/或声学阻抗)来控制、修改或以另外方式影响隔膜正反面之间的压力差。通过将MEMS隔膜的正反面两者在相同气温暴露到相同压力场(例如，扬声器的后腔中的均匀压力场)，而每个端口或路径具有不同声学阻抗，产生热稳定性、高SPL容限(例如，大于130dB SPL)麦克风，可用来准确估计产生的扬声器的位移、速度和/或加速度。还要注意，对麦克风的此类控制和/或衰减在1kHz或更小的低频率音频带内实现。
更具体地说，一个实施方案涉及用于测量扬声器的声学特征的差分压力梯度麦克风。该麦克风例如可为微机电系统(MEMS)，该微机电系统包括MEMS麦克风外壳和安装在MEMS麦克风外壳中的顺应膜。顺应膜可将麦克风外壳划分为第一腔室和第二腔室。第一腔室可包括朝顺应膜的第一侧面(例如，正面)开口或与第一侧面连通的主端口，并且第二腔室可包括朝顺应膜的第二侧面(例如，背面)开口或与第二侧面连通的副端口。在一个实施方案中，主端口和副端口可穿过分别形成第一腔室和第二腔室的麦克风外壳壁的部分而形成。在另一实施方案中，主端口或副端口中的一者可穿过顺应膜形成。例如，主端口可穿过外壳壁到达第一腔室而形成以及第二端口可穿过顺应膜到达第二腔室而形成。在一些情况下，另一端口可穿过外壳壁到达第二腔室而形成，使得存在正对第二腔室开口的两个端口。主端口和副端口可相对于彼此调谐来控制、调节、修改或以另外方式影响顺应膜的第一侧面和第二侧面之间的压力差，使得相对于具有封闭的第一或第二腔室(例如，没有穿过形成腔室墙壁的开口)的麦克风，在麦克风信号输出中观察到至少10dB衰减。例如，主端口和副端口可被调谐为具有不同表面积。此外，主端口和副端口可被调谐为具有不同声学阻抗。主端口和副端口可被调谐使得相对于具有封闭的第一或第二腔室的麦克风，第一侧面(例如，正面)和第二侧面(例如，背面)之间的压力差足以降低顺应膜的偏移。主端口和副端口可被调谐使得相对于具有封闭的第一或第二腔室的麦克风，减小顺应膜的第一侧面和第二侧面之间的压力差。主端口和副端口可被调谐使得相对于具有封闭的第一或第二腔室的麦克风，在麦克风信号输出中小于1kHz的频率范围内观察到大约20dB到大约70dB的衰减。主端口和副端口可被调谐使得相对于具有封闭的第一或第二腔室的麦克风，在麦克风信号输出中观察到至少50dB的衰减。在一个方面，主端口或副端口中的一者可包括多个分立孔。多个分立孔可被调谐为具有与主端口或副端口的另一个的表面积不同的整体表面积。
在另一实施方案中，本发明涉及间接测量扬声器的音频特征的系统。该系统包括扬声器，该扬声器具有围绕定位其中的隔膜的正面形成的前腔室以及围绕隔膜的背面形成的后腔室。该系统还可包括定位于扬声器的后腔室内的差分压力梯度麦克风以间接测量扬声器的音频特征。该麦克风可具有将麦克风外壳划分为第一腔室和第二腔室的顺应膜。第一腔室可包括朝顺应膜的第一侧面开口或与第一侧面连通的主端口，并且第二腔室可包括朝顺应膜的第二侧面开口或与第二侧面连通的副端口。主端口和副端口可相对于彼此调谐来修改麦克风对扬声器的声学输出的敏感度。在一个方面，主端口和副端口的声学阻抗相对于彼此调谐，从而控制麦克风的敏感度使得可操作为以大于130dB声压(SPL)的工作水平测量扬声器的音频特征。在另一方面，主端口的尺寸和副端口的尺寸不同，并且副端口的尺寸被选择成在顺应膜的第一侧面和第二侧面之间导致减小的压力差，使得相对于单端口的麦克风减小顺应膜的偏移。例如，副端口的尺寸可小于主端口(例如，主端口开口大于副端口开口)。在其他实施方案中，主端口或副端口中的一者可包括开口表面积足以在第一频率获得麦克风信号输出的至少10dB到30dB的衰减以及在第二频率获得至少45dB到70dB的衰减，其中第一频率高于第二频率并且衰减相对于单端口麦克风。在一些情况下，主端口或副端口中的一者具有开口表面积足以相对于单端口麦克风在小于1kHz的频率范围内获得麦克风信号输出的至少10dB的衰减。主端口可包括单个开口并且副端口包括多个分立开口，其中多个分立开口的整体表面积不同于单个开口。主端口和副端口可相对于彼此调谐来在不存在声学敏感材料的情况下控制、修改或以另外方式影响麦克风的敏感度。在一个方面，扬声器的音频特征为扬声器隔膜的位移、速度或加速度中的一者。此外，扬声器的后腔室可围绕麦克风形成均匀压力场使得主端口和副端口相对于彼此的调谐在碰撞到顺应膜的第一侧面上的声压和碰撞到顺应膜的第二侧面上的声压之间导致量值差。
以上概述不包括本发明的所有方面的详尽列表。可预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随该专利申请提交的权利要求书中特别指出的各个方面的所有合适的组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体阐述的特定优点。
附图说明
在附图的图示中通过举例而非限制的方式示出了实施方案，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出的是，在本公开中提到“一”或“一个”实施方案未必是同一实施方案，并且其意指至少一个。
图1是扬声器系统的一个实施方案的框图。
图2是包括无源驱动器的扬声器的一个实施方案的示意截面图。
图3是图1的扬声器系统内的差分压力梯度麦克风的一个实施方案的示意截面图。
图4是图1的扬声器系统内的差分压力梯度麦克风的另一实施方案的示意截面图。
图5是图3和/或图4的麦克风的端口的一个实施方案的俯视平面图。
图6是示出图3和/或图4的差分压力梯度麦克风的衰减范围的频率响应曲线图。
图7是示出图3和/或图4的差分压力梯度麦克风中各个端口尺寸的衰减范围的频率响应曲线图。
具体实施方式
以下说明示出了许多具体细节。然而，应当理解，可以不需要这些具体细节来实践本发明的实施方案。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免影响对本说明的理解。
在下面的描述中，参考示出本发明的若干实施例的附图。应当理解，其他实施例也可使用，并且在不脱离本公开的实质和范围的情况下可对机械组成、结构、电气以及操作进行改变。下面的详细描述不应该被理解为限制性的意义，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例并非旨在对本发明进行限制。空间相关术语，诸如“在……之下”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等等可以在本文中用于描述的方便以描述一个元件或特征与另外一个或多个元件或一个或多个特征的关系，如在附图中示出的。应当理解，空间相对术语旨在涵盖除了在附图所示取向之外的设备使用或操作过程中的不同的取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件然后可取向成在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以涵盖在……上方和在……下方这两个取向。设备可以另外的方式取向(例如，旋转90度或在其他的取向)，并且本文中使用的空间相对描述词被相应地解释。
如本文所用，单数形式“一个”(“a”,“an”)和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文另外指出。应当进一步理解，术语“包括”(“comprises”和/或“comprising”)限定了所述特征、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。
本文使用的术语“或者”和“和/或”将被解释为包含或意味着任一个或任一个组合。因此，“A、B或C”或“A、B和/或C”意味着“以下中的任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A，B和C”。此定义的例外将仅发生在组件、功能、步骤或动作的组合以某个方式固有地互相排斥时。
图1是包含驱动器102的示例性扬声器系统的示图，该驱动器可为低频驱动器，诸如低音用扩音器或次重低音扩音器。该驱动器可以是例如电声换能器(例如，扬声器)，其具有被配置为响应于电音频信号输入而产生声音的隔膜和电路。驱动器位于围绕驱动器102的隔膜的背面形成后腔的“封闭”壳体100中。后腔为壳体100内的体积。“封闭”指示后腔在驱动器工作的某些频率不将空气传输到壳体100的外部，或者例如围绕驱动器的隔膜的正面形成的前腔室。在一个实施方案中，壳体100可具有小泄露，因此内部压力和外部压力可能随时间均衡，以补偿大气压或海拔的变化。多孔纸扬声器锥或未完全封闭的壳体可提供此类慢压力均衡。壳体100可具有比驱动器产生的波长小得多的维度。
内部麦克风104可置于扬声器壳体100的后腔内。在一个实施方案中，内部麦克风104可为MEMS麦克风，用于间接测量扬声器隔膜的体积速率、位移和/或加速度，如将参考例如图3更详细所述。在一些实施方案中，例如出于低频均衡的目的，也可提供用于测量声学压力的可选的外部麦克风。本文所述的麦克风中的任一个或多个可被认为是声电换能器并且包括被配置为响应于声音输入而产生音频信号的隔膜和电路。
扬声器系统还包括计算单元108和数字信号处理器(DSP)110。计算单元可为微处理器或微控制器并且可优化用于传递函数的计算。DSP可优化用于数字或模拟音频信号的处理并且可根据计算的传递函数来配置。因此，扬声器系统可包括用于处理模拟和/或数字音频信号的部件。在一些实施方案中，计算单元108和DSP 110可借助相同硬件实现。在一些实施方案中，计算单元108和/或DSP 110可置于壳体100中或上。在其他一些实施方案中，计算单元108和DSP 110被提供为独立于扬声器系统的信号处理器。
DSP 110提供自适应均衡滤波器，该滤波器从外部信号源112，诸如耦接到扬声器系统的放大器接收音频信号，并且将滤波后的音频信号提供给扬声器系统的驱动器102。计算单元108可耦接到内部麦克风104并且用于使用在后腔中由内部麦克风104测量的瞬时压力来估计扬声器隔膜的位移的体积速度、加速度。
假定封闭盒子，在波长明显大于该盒子的尺寸的低频，壳体100内部的声场为压力场。瞬时压力均匀并且与扬声器的位移一致变化。在一些实施方案中，扬声器位移可通过使用补偿滤波器针对频率进行估计，以考虑扬声器隔膜与内部麦克风之间的传播，在该频率下压力场假定未严格有效。这适合于壳体的第一谐振频率以下的频率，或者如果内部麦克风置于壳体中的远离任何压力凹口。
如果假定绝热过程，即，在壳体内部的压力波动时没有热量传递到低音用扩音器或者没有从低音用扩音器传递热量的绝热过程，绝热气体定律可用来基于内部麦克风信号使用壳体100内部的压力的估计来估计扬声器位移。理想气体的绝热气体定律表明压力p和体积V为指数相关：
pVγ＝k(constant)
其中γ＝7/5，针对绝热气体(对于空气有效)。
驱动器102的扬声器隔膜可建模为活塞(具有表面积S)，围绕其静止位置随瞬时位移x(t)来回移动。
图2是除了驱动隔膜202之外包括无源辐射器206，208的扬声器200的示意截面图。马达204，诸如音圈马达响应于电信号来驱动隔膜202。无源辐射器206，208被驱动隔膜202产生的声压波移动。在包括无源辐射器206，208的扬声器200，表面积S为驱动和无源隔膜的总体表面积。包括无源辐射器206，208的扬声器200可包括类似于图1中的内部麦克风(可选的外部麦克风)、计算单元和DSP。
图3为内部麦克风诸如参考图1和图2所述的那些麦克风的一个实施方案的示意截面图。在一个实施方案中，内部麦克风为具有减小敏感度的差分压力梯度麦克风304，从而可操作为测量扬声器的声学特征。麦克风304例如可为微机电系统(MEMS)麦克风。然而，设想麦克风304可为任何类型的换能器，可操作来将声音转换为音频信号，例如压电麦克风、动态麦克风或驻极体麦克风。如前所述，麦克风304位于扬声器壳体形成的封闭到扬声器隔膜的背面的后腔室302(例如，参考图1描述的壳体100形成的驱动器102的隔膜后方的后腔室)中。换言之，麦克风304位于具有均匀压力场的腔室中以及设计为在该腔室中工作，其中腔室中任何压力的变化都是相同的，与压力变化为可变的环境或其他环境相反。麦克风304可包括麦克风外壳或壳体306(例如，MEMS麦克风壳体)，包围顺应膜308(例如，麦克风隔膜)以及针对麦克风304的操作所必须的任何其他麦克风部件(例如，致动器、电路等)。顺应膜308可位于麦克风壳体306中使得该顺应膜将麦克风壳体306划分为第一腔室310和第二腔室312。第一腔室310可声学耦接到顺应膜308的正面318(例如，第一侧面)而第二腔室312可声学耦接到顺应膜308的背面320(例如，第二侧面)。换言之，第一腔室310围绕顺应膜308的正面318限定声学腔或空腔并且第二腔室312围绕背面320限定声学腔或空腔。
第一腔室310可包括穿过壳体306的壁形成的主声学端口314，该主声学端口在扬声器的后腔室302与顺应膜308的正面318之间形成声学通道。第二腔室312还可包括穿过壳体306的壁形成的副声学端口316，该副声学端口在扬声器的后腔室302与顺应膜308的背面320之间形成声学通道。主声学端口314和副声学端口316相对于彼此调谐从而在顺应膜308上形成压力梯度并且控制麦克风304的敏感度。
应当理解，通过将调谐的声学通道从扬声器腔室302提供给第一腔室310和第二腔室312两者，可控制顺应膜308的正面318和背面320之间的压力差。这继而提供用于控制麦克风304的敏感度的机制，从而可用于准确估计或以另外方式测量例如扬声器隔膜的位移、速度和/或加速度。例如，在传统全向麦克风中，壳体可包括单端口(例如，声音输入端口)，声学耦接到隔膜的正面(例如，隔膜的声音拾取面)。然而，隔膜的背面被封闭在壳体内(例如，后腔室)。结果，隔膜的背面暴露于固定的“参考”气压，该气压可能远高于隔膜正面上的压力，由此在两者之间产生相对大的压力差，继而产生高敏感性麦克风。例如，麦克风可具有小于130dB SPL的最大工作水平(定义为10％THD点)并且在大于130dB SPL的水平过载。由于此类麦克风的敏感性，可能无法准确测量例如扬声器隔膜的位移、速度和/或加速度。
然而，图3的麦克风304通过将副端口316围绕顺应膜308的背面320包括到第二腔室312从而顺应膜308的正面318和背面320之间的压力差得以控制或者修改为在适用于在大于130dB SPL的水平操作麦克风304的范围内来解决此问题，副端口相对于主端口314声学调谐。例如，端口可被调谐使得顺应膜308的正面318和背面320之间的压力差减小，从而减小麦克风的敏感度。应当理解，当麦克风304的特征在本文被称为“得以减小”、“减小”或“缩减”时，压力差的减小与具有封闭后腔室以及工作在类似条件下(例如，在扬声器的封闭的后腔室)的麦克风(例如，没有到前腔和后腔两者的开口的全向麦克风)相对照。
在一个实施方案中，麦克风304的敏感度减小或以另外方式变化的程度由主端口314和副端口316相对于彼此的尺寸或开口表面积决定。换言之，主端口314的开口表面积或尺寸与副端口316的开口表面积或尺寸之间的比率如此从而获得顺应膜308的正面318和背面320之间的理想压力差，继而获得理想的敏感度水平。在一些实施方案中的压力差低于通过具有封闭后腔室的单端口的麦克风获得的压力差，使得麦克风对于在限制在10％THD之前工作在增大的SPL(例如，大于130SPL)不太敏感。
为了获得这一点，在一个实施方案中，副端口316的尺寸、开口表面积、声学阻抗和/或声学电阻不同于主端口314的尺寸、开口表面积、声学阻抗和/或声学电阻。例如，在一个实施方案中，副端口316的声学阻抗或声学电阻大于主端口314的声学阻抗或声学电阻。换一种说法，如图3所示，副端口316的尺寸或开口表面积326小于主端口314的尺寸或开口表面积324(例如，主端口314大于副端口316)。在此方面，对于给定外部压力(例如，扬声器的后腔室内的压力)，副端口316创建到顺应膜308的背面320的阻性通道或通气孔(比主端口314更具阻性)，继而减小了顺应膜308上的压力差(例如，与相同环境下单端口的麦克风相比)。这继而降低了顺应膜偏移，允许在限制在10％THD之前暴露于增大的SPL(例如，与相同环境下单端口的麦克风相比)。例如，如从图3中的顺应膜308的分解图可以看出，顺应膜308可具有虚线322表示的偏移范围，而单端口的麦克风或具有较高压力差的其他麦克风中的顺应膜的偏移范围可能更大。
应当理解，在其他实施方案中，可通过控制通道到顺应膜的相应侧的长度调谐主端口314和副端口316相对于彼此的声学电阻或声学阻抗。例如，副端口316可与馈送到顺应膜308的背面320的通道相关联。在此方面，可改变通道的维度来控制通道对通过该通道的声学流的阻力。例如，通道可制成较长，或者可制成较窄，以增大声学阻抗的声学电阻从而大于主端口314的声学电阻。
然而，应当理解，在每个实施方案中，施加在顺应膜308的每一侧上的声学压力的量值得以控制或者以另外方式通过调谐或校准主端口314和副端口316相对比彼此的特征以获得理想结果而加以修改，例如，与在端口本身处添加声学材料或改变外部压力相反。换言之，麦克风处于均匀压力场(例如，扬声器的后腔)并且端口本身专门设计为例如控制或修改撞击到背面320上的压力的量值使得顺应膜308的正面318上的压力在所有期待的压力级期间处于理想范围。此外，应当理解，在一个实施方案中，在不存在附加声学材料，例如声学阻性材料诸如置于端口的一个或多个上方的丝网、膜等的情况下控制主端口314和副端口316的声学特征。在此方面，麦克风304被认为具有热稳定性，或者与需要声学阻性材料修改端口的一个或多个的声学属性的麦克风相比更具热稳定性。特别地，已发现在一些情况下，声学材料的阻性随温度变化，继而设备的性能也变化。由于麦克风304不需要使用声学阻性材料控制如前所述的敏感度，所以不管周围环境的温度怎样，声学性能都一致。
图4为内部麦克风诸如参考图1和图2所述的那些麦克风的另一实施方案的示意截面图。在一个实施方案中，内部麦克风为具有减小敏感度的差分压力梯度麦克风404，从而可操作为测量扬声器的声学特征。麦克风404例如可为微机电系统(MEMS)麦克风。然而，设想麦克风404可为任何类型的换能器，可操作来将声音转换为音频信号，例如压电麦克风、动态麦克风或驻极体麦克风。麦克风404大体上可类似于参考图3所述的麦克风304。在此方面，麦克风404可包括类似于麦克风304的部件并且位于扬声器壳体形成的封闭到扬声器隔膜的背面的后腔室302(例如，参考图1描述的壳体100形成的驱动器102的隔膜后方的后腔室)中。换言之，类似于麦克风304，麦克风404位于具有均匀压力场的腔室中以及设计为在该腔室中工作，其中腔室中任何压力的变化都是相同的，与压力变化为可变的环境或其他环境相反。在此方面，麦克风404可包括包围顺应膜308(例如，麦克风隔膜)的麦克风壳体306以及针对麦克风304的工作必须的任何其他麦克风部件(例如，致动器、电路等)，如参考图3先前所述。顺应膜308可位于麦克风壳体306中并且将麦克风壳体306划分为第一腔室310和第二腔室312。第一腔室310可声学耦接到顺应膜308的正面318(例如，第一侧面)而第二腔室312可声学耦接到顺应膜308的背面320(例如，第二侧面)。换言之，第一腔室310围绕顺应膜308的正面318限定声学腔或空腔并且第二腔室312围绕背面320限定声学腔或空腔。
第一腔室310可包括穿过壳体306到达顺应膜308的正面318而形成的主声学端口314，如先前参考图3所述。然而，在该实施方案中，副声学端口416穿过顺应膜308形成。在此方面，副声学端口416被认为朝第二腔室312开口(例如，朝顺应膜320的背面320)，但是在此情况下，位于第一腔室310和第二腔室312之间。副声学端口416可提供来代替穿过壳体306形成的副声学端口316或者除了副声学端口316之外可提供副声学端口416，如先前参考图3所述。在此方面，从扬声器的后腔室302到第二腔室312的声学通道(例如，到顺应膜320的背面320)穿过第一腔室310。围绕顺应膜308的背面320形成第二腔室312的壳体306的壁可没有所示的任何另外端口，或者可包括附加端口(例如，副开口316)用于进一步的敏感性调谐。
主声学端口314和副声学端口416可相对于彼此调谐从而在顺应膜308上形成压力梯度并且控制麦克风404的敏感度，如先前参考图3所述。特别地，通过将调谐的声学通道从扬声器腔室302提供给第一腔室310和第二腔室312两者，可控制顺应膜308的正面318和背面320之间的压力差。这继而提供用于控制、修改或以另外方式影响麦克风404的敏感度的机制，从而可用于准确估计或以另外方式测量例如扬声器隔膜的位移、速度和/或加速度。例如，主声学端口314和副声学端口416可被调谐使得顺应膜308的正面318和背面320之间的压力差减小，从而减小麦克风404的敏感度。
在一个实施方案中，麦克风404的敏感度减小或以另外方式变化的程度由主端口314和副端口416相对于彼此的尺寸或开口表面积决定。换言之，主端口314的开口表面积或尺寸与副端口416的开口表面积或尺寸之间的比率如此从而获得顺应膜308的正面318和背面320之间的理想压力差，继而获得理想的敏感度水平。例如，在一个实施方案中，副端口416的声学阻抗或声学电阻大于主端口314的声学阻抗或声学电阻。换一种说法，如图4所示，副端口416的尺寸或开口表面积426小于主端口314的尺寸或开口表面积324(例如，主端口314大于副端口316)。在此方面，对于给定外部压力(例如，扬声器的后腔室内的压力)，副端口416创建到顺应膜308的背面320的阻性通道或通气孔(比主端口314更具阻性)，继而减小了顺应膜308上的压力差(例如，与相同环境下单端口的麦克风相比)。这继而降低了顺应膜偏移，允许在限制在10％THD之前暴露于增大的SPL(例如，与相同环境下单端口的麦克风相比)。在其他实施方案中，可通过控制通道到顺应膜的相应侧的长度调谐主端口314和副端口416相对于彼此的声学电阻或声学阻抗。
然而，应当理解，在每个实施方案中，施加在顺应膜308的每一侧上的声学压力的量值得以控制或者以另外方式通过调谐或校准主端口314和副端口416相对比彼此的特征以获得理想结果而加以修改，例如，与在端口本身处添加声学材料或改变外部压力相反。换言之，麦克风处于均匀压力场(例如，扬声器的后腔)并且端口本身专门设计为例如控制或修改撞击到背面320上的压力的量值使得顺应膜308的正面318上的压力在所有期待的压力级期间处于理想范围。继而，顺应膜308可具有虚线322表示的理想偏移范围，而单端口的麦克风或具有较高压力差的其他麦克风中的顺应膜的偏移范围可能更大。
此外，应当理解，在一个实施方案中，在不存在附加声学材料，例如声学阻性材料诸如置于端口的一个或多个上方的丝网、膜等的情况下控制主端口314和副端口416的声学特征。在此方面，麦克风404被认为具有热稳定性，或者与需要声学阻性材料修改端口的一个或多个的声学属性的麦克风相比更具热稳定性。特别地，已发现在一些情况下，声学材料的阻性随温度变化，继而设备的性能也变化。由于麦克风404不需要使用声学阻性材料控制如前所述的敏感度，所以不管周围环境的温度怎样，声学性能都一致。
此外，尽管在一个实施方案中，副端口316和/或副端口416可由图3和图4中所示的单个开口形成，但是在其他实施方案中，副端口316可由如图5所示的多个分立开口形成。例如，在一个实施方案中，壳体306内的副端口316(或者副端口416)可由多个分立端口316A,316B,316C和316D形成。尽管示出了四个分立端口316A-316D，但是设想到可使用任何数量的分立端口，例如，8，32或64个。可选择分立端口316A-316D每一个的尺寸从而相对于主端口314(例如，较大声学电阻)一起调谐分立端口316A-316D每一个的整个表面积、尺寸、声学电阻或声学阻抗。注意，使用多个分立端口可从制造和麦克风性能观点提供优势。例如，多个分立端口可允许对麦克风敏感度的更精细调谐。特别地，对于具有±10％容限的单端口，一个孔的尺寸相对于另一孔的小变化造成衰减的大差别。因此，通过使用具有给定制造容限(例如，±10％)的分立端口，每次端口数量倍增，均值的标准偏差可减小√2倍。
应当理解，尽管本文专门提到副端口316和副端口416的各个特征，但是主端口314相反可包括相对于副端口316或副端口416的本文提到的声学特征中的任一个或多个。换言之，端口在本文可互换指代，最重要的特征是它们具有不同声学特征。
图6是示出图3和图4的差分压力梯度麦克风的示例性衰减范围的频率响应曲线图。特别地，曲线600示出了本文公开的特定应用中最大信噪比(SNR)的衰减范围。特别地，从曲线600可看出，通过如先前所述调谐麦克风304和404的主端口和副端口，获得受控量的衰减。相对于由平坦直线602(在量值0dB)表示的参考麦克风(例如，单个开口的麦克风)的响应示出了衰减程度，而曲线604示出具有如本文所述的经调谐的声学端口的压力梯度麦克风以及示例性理想或目标衰减范围由曲线606A,606B之间、位于曲线604之间的区域表示。曲线604向上倾斜的特点示出麦克风304和404在相对低的频率范围不太敏感。例如，相对于参考麦克风的衰减量值或程度可为至少10dB或20dB并且可在较低频率增大。例如，在一个实施方案中，压力梯度麦克风在低于100Hz的频率可在大约45dB到大约70db范围(例如，50dB)内衰减，但是在大于1kHz以上在大约5dB到大约30dB范围内衰减并且在之间逐渐变化。衰减量值因此被认为随频率降低而增大(例如，衰减在低频范围内较高)。例如，衰减程度在小于0.1kHz处大于在0.1kHz和1kHz之间。例如，在一个实施方案中，调谐端口以获得高频处(例如，1kHz和1kHz以上)麦克风信号输出的10dB到30dB衰减以及在低频处(例如，0.1kHz或更小)麦克风信号输出的45dB到70dB衰减。
除了能通过相对于另一个调谐一个端口来控制衰减水平之外，可通过单独改变副端口的尺寸来控制衰减，如图7的曲线700所示。特别地，图7是示出图3和/或图4的差分压力梯度MEMS麦克风中针对各个端口尺寸获得的不同衰减行为的各种频率响应曲线的示图。特别地，曲线700示出了可通过改变副端口的尺寸将参考麦克风(例如，单端口的麦克风)的曲线702修改为曲线704和曲线704A-704E。随着副端口的尺寸增大(例如，曲线704A代表最小端口尺寸而直线704E代表最大端口尺寸)，衰减程度增大。此外，可以看出最大衰减程度发生在较低频率范围内(例如，小于1kHz的频率范围)。还应当理解，除了控制副端口的尺寸之外，还可通过改变MEMS麦克风腔室的壳体体积或者改变主端口的声学特征(例如，通过添加例如覆盖端口开口的膜而使得端口或多或少具有声学阻性)，进一步调谐或以另外方式控制衰减。
现在将更具体描述使用本文所披露的麦克风用来测量或者以另外方式估计扬声器的声学特征(例如，隔膜位移、速度或加速度)的示例性等式。
代表性地，在一个实施方案中，基于内部麦克风信号和以下关系，可使用对参考图1所述的壳体100中的压力估计来估计瞬时扬声器位移x(t)：
x(t)＝(-pint(t)V0)/(ρ0c2S)
其中V0为当低音用扩音器处于静止时低音用扩音器壳体的体积，ρ0为空气密度，c为声音速度并且S为隔膜表面积。
虽然附图中描述并且示出了某些示例性实施例，但应当理解，此类实施例仅仅为示例性的，并且对广义发明不具有限制性，并且本发明不限于所示和所述的具体构造和布置，因为本领域的普通技术人员可进行各种其他修改。因此，要将描述视为示例性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用于测量扬声器的声学特征的差分压力梯度微机电系统(MEMS)麦克风，所述麦克风包括：
MEMS麦克风外壳；以及
安装在所述MEMS麦克风外壳中的顺应膜，所述顺应膜将所述MEMS麦克风外壳划分为第一腔室和第二腔室，以及
其中所述第一腔室包括朝所述顺应膜的第一侧面开口的主端口且所述第二腔室包括朝所述顺应膜的第二侧面开口的副端口，并且其中所述主端口和所述副端口相对于彼此调谐以控制所述顺应膜的所述第一侧面和所述第二侧面之间的压力差，使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风在麦克风信号输出中观测到至少10dB衰减。
2.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐为具有不同表面积，并且所述主端口的表面积大于所述副端口的表面积。
3.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐为具有不同声学阻抗。
4.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风，所述顺应膜的所述第一侧面和所述第二侧面之间的压力差足以降低所述顺应膜的偏移。
5.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风，减小所述顺应膜的所述第一侧面和所述第二侧面之间的压力差。
6.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风，在麦克风信号输出中小于100Hz的频率内观察到从大约45dB到大约70dB的衰减。
7.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口和所述副端口被调谐使得相对于具有封闭的第一腔室或第二腔室的麦克风，在麦克风信号输出中观察到至少50dB的衰减。
8.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口穿过所述MEMS麦克风外壳的壁形成并且所述副端口穿过所述顺应膜形成。
9.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述主端口或所述副端口中的一者包括多个分立孔。
10.根据权利要求9所述的麦克风，其中所述多个分立孔被调谐为具有与所述主端口或所述副端口中的另一个的表面积不同的整体表面积。
11.一种用于间接测量扬声器的音频特征的系统，所述系统包括：
扬声器，所述扬声器具有隔膜和围绕所述隔膜的背面形成的后腔室；以及
差分压力梯度麦克风，所述差分压力梯度麦克风位于所述扬声器的所述后腔室内以间接测量所述扬声器的音频特征，所述麦克风具有将麦克风外壳划分为第一腔室和第二腔室的顺应膜，并且其中所述第一腔室包括朝所述顺应膜的第一侧面开口的主端口且所述第二腔室包括朝所述顺应膜的第二侧面开口的副端口，并且其中所述主端口和所述副端口相对于彼此调谐来控制所述麦克风对所述扬声器的声学输出的敏感度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口和所述副端口的声学阻抗相对于彼此调谐，从而控制所述麦克风的敏感度使得所述系统可操作为以大于130dB声压(SPL)的工作水平测量所述扬声器的音频特征。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口的尺寸和所述副端口的尺寸不同，并且所述副端口的尺寸被选择成导致在所述顺应膜的所述第一侧面和所述第二侧面之间的减小的压力差，使得相对于单端口的麦克风减小所述顺应膜的偏移。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口或所述副端口中的一者包括开口表面积，所述开口表面积足以在第一频率获得麦克风信号输出的至少10dB到30dB的衰减以及在第二频率获得麦克风信号输出的至少45dB到70dB的衰减，其中所述第一频率高于所述第二频率并且所述衰减相对于单端口麦克风。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口或所述副端口中的一者包括开口表面积，所述开口表面积足以相对于单端口麦克风在1kHz或更小的频率内获得麦克风信号输出的至少10dB的衰减。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口包括单个开口并且所述副端口包括多个分立开口，其中所述多个分立开口的整体表面积不同于所述单个开口。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述主端口和所述副端口相对于彼此调谐以在不存在位于所述主端口和所述副端口中的至少一者上的声学材料的情况下控制所述麦克风的敏感度。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述扬声器的音频特征为所述扬声器隔膜的位移、速度或加速度中的一者。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述扬声器的所述后腔室围绕所述麦克风形成均匀压力场。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述主端口和所述副端口相对于彼此的调谐使得导致在碰撞到所述顺应膜的所述第一侧面上的声压和碰撞到所述顺应膜的所述第二侧面上的声压之间的量值差。
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