CN109490210A - 一种声频可调声压增强型光声池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声频可调声压增强型光声池，包括带有谐振腔的谐振腔体，该谐振腔体顶部竖向开设有与麦克风相配合的麦克风插槽，且谐振腔体上开设有连通在麦克风插槽与谐振腔之间的开音孔，麦克风以头端向下的方式插入麦克风插槽内；还包括有一个用于驱动麦克风沿着麦克风插槽升降移动的升降驱动组件；且所述麦克风的头端底部与麦克风插槽侧壁之间共同形成一个容腔，该容腔的高度h>0。本发明提供的光声池具有声频可调、声压增强的功能。
Description
技术领域
本发明涉及高灵敏度痕量气体的检测技术领域，具体是涉及一种声频可调声压增强型光声池。
背景技术
随着现代化工业的快速发展，环境污染问题日益严重，空气监测也越来越得到重视，国内需要自主研发具有知识产权保护的气体监测技术与设备，从而为我国环境质量的改善提供有力的科学技术保障。
相比其它的气体监测技术，光声光谱高灵敏痕量气体的检测技术具有选择性好、灵敏度高、动态范围大等优点。光声光谱技术是一种基于光热物理效应的探测技术，它是通过待测气体吸收特定波长的光能转化成热能与声压进行待测气体的定性与定量的探测。其中，光声光谱检测系统中最重要的核心部件为光声池，光声池是作为发生声频共振与承载气体的场所，它的形状及其构造特点直接影响着光声光谱整机检测性能的优劣。
目前，光声池的结构形状主要有圆柱形和球形，球形不易加工，因而圆柱形谐振腔型光声池是光声光谱检测系统中最普遍采用的一种。当外界光源的频率调制与圆柱形型谐振腔光声池声振频率相等时，光声池便处于共振工作状态，通过检测共鸣声压的大小就可以反演待测气体的浓度等信息。圆柱形型谐振腔光声池具有结构简单、加工简易、安装方便、性能优良等特点。
各类圆柱形型谐振腔光声池的主体形式也大相径庭，主要由谐振腔、缓冲腔、进气孔与出气孔、麦克风插槽等组成，然而受传统结构和技术方案的局限，传统圆柱形型谐振腔光声池形位尺寸一旦确定，光声池的物理性能是不能灵活调整的，性能将保持固定不变，所基于此光声池搭建的光声光谱检测系统只能依靠外部的电子系统来改善系统的检测灵敏与信噪比等，存在不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种声频可调声压增强型光声池，能够实现声频可调、声压增强功能。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种声频可调声压增强型光声池，包括带有谐振腔的谐振腔体，该谐振腔体顶部竖向开设有与麦克风相配合的麦克风插槽，且谐振腔体上开设有连通在麦克风插槽与谐振腔之间的开音孔，麦克风以头端向下的方式插入麦克风插槽内；还包括有一个用于驱动麦克风沿着麦克风插槽升降移动的升降驱动组件；且所述麦克风的头端底部与麦克风插槽侧壁之间共同形成一个容腔，该容腔的高度h>0。
在上述技术方案的基础上，作为升降驱动组件的一种优选方案，所述升降驱动组件包括有一带有竖向的升降孔的麦克风底座、一麦克风套筒、一紧固橡胶套筒，升降孔、麦克风套筒、紧固橡胶套筒、麦克风插槽四者同轴分布，麦克风底座可拆卸地固定连接在谐振腔体顶部，麦克风套筒可升降移动地连接在麦克风底座上，紧固橡胶套筒过盈配合地安装在麦克风套筒内，麦克风的尾端过盈配合地安装在紧固橡胶套筒内，且麦克风套筒、紧固橡胶套筒的顶部均开设有与麦克风的尾端的引线相对应的引线孔；麦克风的头端可上下移动地穿过升降孔插入麦克风插槽内。
在上述技术方案的基础上，所述麦克风套筒螺纹连接于麦克风底座上。
在上述技术方案的基础上，所述麦克风底座外侧壁上开设有外螺纹，麦克风套筒内侧壁上开设有与外螺纹相对应的内螺纹，麦克风套筒通过内螺纹与外螺纹的配合实现螺纹连接于麦克风底座上。
在上述技术方案的基础上，所述麦克风底座的外侧壁底端开设有一止动螺纹孔，有一个止动螺钉螺纹连接地穿过该止动螺纹孔后顶紧于麦克风。
在上述技术方案的基础上，所述麦克风底座为法兰盘结构，且麦克风底座通过固定螺钉可拆卸地固定连接在谐振腔体顶部。
在上述技术方案的基础上，所述谐振腔体顶面与麦克风底座底面之间密封配合。
在上述技术方案的基础上，所述谐振腔体顶面开设有一环形的第三橡胶圈安装槽，该第三橡胶圈安装槽内填充有一个第三橡胶密封圈，谐振腔体通过所述第三橡胶密封圈实现与麦克风底座的密封配合。
在上述技术方案的基础上，所述谐振腔体为长方体状结构，谐振腔和开音孔均为圆柱体结构。
在上述技术方案的基础上，所述谐振腔体的制作材质为紫铜、不锈钢、硬铝中的一种，且谐振腔内腔表面经抛光加工处理。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明提供的声频可调声压增强型光声池，麦克风在升降驱动组件的驱动作用下实现沿着麦克风插槽升降移动，进而可以改变容腔的高度，h>0且容腔高度是可调节的，随着容腔的变化，声学共振频率值将发生改变；同时，h的变化，麦克风头端开口处的声压值也将发生改变，h合理设置时，麦克风头端开口处的声压值将会出现一个最大值，并且要大于容腔高度h为零时的声压值，麦克风头端开口处采集到的声压得到增强。因此，本发明提供的光声池具有声频可调、声压增强的功能。
附图说明
图1为本发明光声池的结构示意图；
图2为本发明谐振腔体的半剖图；
图3为本发明缓冲腔体的半剖图；
图4为本发明麦克风底座的半剖图；
图5为本发明指数曲线过渡形空腔的线性关系示意图；
图中标号为：
101-谐振腔体；102-第一橡胶密封圈；103-第二橡胶密封圈；104-第三橡胶密封圈；105-声阻小孔；106-圆柱谐振腔；107-开音孔；108-麦克风插槽；109-容腔；
201-麦克风底座；202-麦克风套筒；203-紧固橡胶套筒；204-麦克风；205-升降孔；206-引线；207-引线孔；208-止动螺纹孔；209-止动螺钉；
301-缓冲腔体；302-指数曲线过渡形空腔；303-圆柱形空腔；304-进气孔；305-出气孔；306-第四橡胶密封圈；307-端盖；308-石英窗片；
400-入光口；500-出光口；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1、图2和图4可知，一种声频可调声压增强型光声池，包括带有谐振腔106的谐振腔体101，该谐振腔体101顶部竖向开设有与麦克风204相配合的麦克风插槽108，且谐振腔体101上开设有连通在麦克风插槽108与谐振腔106之间的开音孔107，麦克风204以头端向下的方式插入麦克风插槽108内；其中，所述谐振腔体101为长方体状结构，谐振腔106和开音孔107均为圆柱体结构；所述谐振腔体101的制作材质为紫铜、不锈钢或硬铝，且谐振腔106内腔表面经抛光加工处理，保证谐振腔内表面的光滑性能。
该光声池，还包括有一个用于驱动麦克风204沿着麦克风插槽108升降移动的升降驱动组件；且所述麦克风204的头端底部与麦克风插槽108侧壁之间共同形成一个容腔109，该容腔109的高度h>0，即麦克风204的头端底部始终不与麦克风插槽108底面相接触。
上述的升降驱动组件包括有一带有竖向的升降孔205的麦克风底座201、一麦克风套筒202、一紧固橡胶套筒203，升降孔205、麦克风套筒202、紧固橡胶套筒203、麦克风插槽108四者同轴分布，麦克风底座201可拆卸地固定连接在谐振腔体101顶部，麦克风套筒202可升降移动地连接在麦克风底座201上，紧固橡胶套筒203过盈配合地安装在麦克风套筒202内，麦克风204的尾端过盈配合地安装在紧固橡胶套筒203内，且麦克风套筒202、紧固橡胶套筒203的顶部均开设有与麦克风204的尾端的引线206相对应的引线孔207；麦克风204的头端可上下移动地穿过升降孔205插入麦克风插槽108内。
其中，所述麦克风套筒202螺纹连接于麦克风底座201上；所述麦克风底座201外侧壁上开设有外螺纹，麦克风套筒202内侧壁上开设有与外螺纹相对应的内螺纹，麦克风套筒202通过内螺纹与外螺纹的配合实现螺纹连接于麦克风底座201上，利用麦克风套筒202与麦克风底座201之间的螺纹连接配合实现麦克风套筒202相对麦克风底座201的升降移动，进而带动麦克风204沿着麦克风插槽108升降移动。其中，所述麦克风底座201为法兰盘结构，且麦克风底座201通过固定螺钉可拆卸地固定连接在谐振腔体101顶部。所述谐振腔体101顶面与麦克风底座201底面之间密封配合：所述谐振腔体101顶面开设有一环形的第三橡胶圈安装槽，该第三橡胶圈安装槽内填充有一个第三橡胶密封圈104，谐振腔体101通过所述第三橡胶密封圈104实现与麦克风底座201的密封配合。
更好的是，所述麦克风底座201的外侧壁底端开设有一止动螺纹孔208，有一个止动螺钉209螺纹连接地穿过该止动螺纹孔208后顶紧于麦克风204；当通过旋转麦克风套筒202调节好容腔109的高度后，旋紧止动螺钉209实现对麦克风204位置的进一步固定，进一步确保容腔109高度的稳定性；同时，止动螺钉209也为麦克风套筒202的向下旋转提供了一个下限，当麦克风套筒202下旋至接触止动螺钉209时，麦克风204下移至最低位，此时容腔109高度依然满足h>0，在此方面，止动螺钉209起到了对麦克风套筒202的下旋限位作用。
本发明提供的光声池声频可调、声压增强工作原理是：旋转麦克风套筒202，即可带动麦克风204在麦克风底座201的升降孔内、及麦克风插槽108内进行旋转，进而使容腔109发生变化，改变h值。传统的光声光谱检测系统的容腔高度h＝0且不可调，如此便会限制光声光谱检测系统的灵活性与灵敏性；容腔不可调时，谐振腔体内所形成的声域情况类似于单个圆柱体腔结构，其声学共振频率值与单个圆柱体腔结构几乎相等，同时光声池的工作声学共振频率值保持固定不变。本发明提供的光声池，容腔高度h>0且是可以灵活调节的，随着容腔的变化，声学共振频率值将发生改变，同时h的变化，麦克风204头端开口处的声压值也将发生改变，h合理设置时，麦克风204的开口处的声压值将会出现一个最大值，并且要大于容腔高度h为零时的声压值，因而麦克风204的开口处采集到的声压得到增强。
参照图1至图3所示，本发明提供的光声池，所述谐振腔体101的两端分别可拆卸地固定连接有一个缓冲腔组件，该缓冲腔组件包括有一带有缓冲腔的缓冲腔体组，两端的两个缓冲腔通过谐振腔106相连通且同轴分布，一端的缓冲腔体组上开设有一个入光口400和一个倾斜45°分布的进气孔304，另一端的缓冲腔体组上开设有一个出光口500和一个倾斜45°分布的出气孔305，进气孔304、出气孔305分别通过对应端的缓冲腔连通于谐振腔106，入光口400和出光口500处均固定有一个石英窗片308。
上述，缓冲腔体组包括有一个通过一端端面可拆卸地固定连接在谐振腔体101端面上的缓冲腔体301、和一个可拆卸地固定连接在缓冲腔体301另一端端面上的端盖307，所述缓冲腔开设在缓冲腔体301内，进气孔304、出气孔305分别贯穿对应的缓冲腔体301侧壁连通于缓冲腔；入光口400、出光口500分别开设在对应端的端盖307上，且入光口400和出光口500均为阶梯孔状结构，石英窗片308通过胶水粘接在阶梯孔内。
上述，缓冲腔体301为法兰盘结构并通过固定螺钉可拆卸地固定连接在谐振腔体101上，端盖307通过固定螺钉可拆卸地固定连接在缓冲腔体301上；且缓冲腔体301的一端端面与谐振腔体101端面之间密封配合、另一端端面与端盖307端面密封配合。所述谐振腔体101的一端端面上开设有一环形的第一橡胶圈安装槽、另一端端面上开设有一环形的第二橡胶圈安装槽，第一橡胶圈安装槽内填充有一第一橡胶密封圈102，第二橡胶圈安装槽内填充有一第二橡胶密封圈103；所述缓冲腔体301对应端盖的端面上开设有一环形的第四橡胶圈安装槽，该第四橡胶圈安装槽内填充有一第四橡胶密封圈306。
而且，所述缓冲腔包括有一圆柱形空腔303、和一指数曲线过渡形空腔302，圆柱形空腔303通过指数曲线过渡形空腔302与谐振腔106相连通，且进气孔304、出气孔305分别与对应端的圆柱形空腔303相连通。其中，缓冲腔体301的制作材质为紫铜、不锈钢或硬铝；也或者缓冲腔体301的制作材质为树脂材料，且采用3D打印技术制作而成。
参照图5，上述指数曲线过渡形空腔302的线性关系符合下列公式：
A(x)＝Aceδx
Ac——--谐振腔截面积；
A(x)——指数曲线过渡形空腔截面积；
δ——--决定截面积变化快慢的一个参数。
而且，所述谐振腔体101上均匀开设有若干的声阻小孔105，具体是：所述谐振腔体101为长方体结构，且声阻小孔105均匀分布在谐振腔体101的顶面及前后侧面上。
本发明提供的光声池抗噪功能的工作原理是：第一，缓冲腔体101上开设的进气孔304与出气孔305是倾斜45°分布的，相较于传统缓冲腔体上开设的进出气孔是与缓冲腔体正交相贯或垂直于缓冲腔体圆端面的方式，本发明通过45°倾斜分布的设计，能够更好地使气流缓和地从进气孔304进入并通过圆柱形空腔303、指数曲线过渡形302、谐振腔106至出气孔出，减小了缓冲腔内的气流涡旋效应，因而减小了气流再生噪声。第二，指数曲线过渡形空腔302形成了光滑的曲面过渡，由此可以引导气流运动，并可以减少气流的撞击作用与气体流动分离情况，由此对气流流动起到较好的缓冲作用，更进一步地减小光声池的气流再生噪声。第三，谐振腔体101外壳表面开设若干声阻小孔105，是基于多孔吸声的原理来降低外界环境噪声干扰的，当外界噪声包括斩波器等造成的相干源噪声通过声阻小孔105时，声能在多孔隙中由于摩擦而转化成热能耗散掉，使通过谐振腔体101到达麦克风204的开口处的声波减弱，由此将减少外界噪声对麦克风204采集处声压信号的干扰，提高检测系统的信噪比与灵敏度；而且，通过开设声阻小孔可以去除光声池的本体材料，相对减少光声池的整体重量，达到轻量化设计的效果。
本发明提供的光声池的工作方式是：谐振腔106与缓冲腔体301的缓冲腔内充满待测气体，利用特定波长且调制的激光光束从入光口400进入通过谐振腔106至出光口500出，待测气体吸收激光光能并且受到调制光的影响而触发光声效应，麦克风204的开口处便能探测到变化的声压，当激光的调制频率与谐振腔体的声振频率值相等时，谐振腔内的声压会形成驻波作用，麦克风204的开口处的声压值便会共振放大，解调麦克风204探测到的声压情况，通过处理就可以反演出待测气体的浓度等其它物理信息。
Claims (10)
1.一种声频可调声压增强型光声池，包括带有谐振腔(106)的谐振腔体(101)，该谐振腔体(101)顶部竖向开设有与麦克风(204)相配合的麦克风插槽(108)，且谐振腔体(101)上开设有连通在麦克风插槽(108)与谐振腔(106)之间的开音孔(107)，麦克风(204)以头端向下的方式插入麦克风插槽(108)内，其特征在于：还包括有一个用于驱动麦克风(204)沿着麦克风插槽(108)升降移动的升降驱动组件；且所述麦克风(204)的头端底部与麦克风插槽(108)侧壁之间共同形成一个容腔(109)，该容腔(109)的高度h>0。
2.根据权利要求1所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述升降驱动组件包括有一带有竖向的升降孔(205)的麦克风底座(201)、一麦克风套筒(202)、一紧固橡胶套筒(203)，升降孔(205)、麦克风套筒(202)、紧固橡胶套筒(203)、麦克风插槽(108)四者同轴分布，麦克风底座(201)可拆卸地固定连接在谐振腔体(101)顶部，麦克风套筒(202)可升降移动地连接在麦克风底座(201)上，紧固橡胶套筒(203)过盈配合地安装在麦克风套筒(202)内，麦克风(204)的尾端过盈配合地安装在紧固橡胶套筒(203)内，且麦克风套筒(202)、紧固橡胶套筒(203)的顶部均开设有与麦克风(204)的尾端的引线(206)相对应的引线孔(207)；麦克风(204)的头端可上下移动地穿过升降孔(205)插入麦克风插槽(108)内。
3.根据权利要求2所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述麦克风套筒(202)螺纹连接于麦克风底座(201)上。
4.根据权利要求3所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述麦克风底座(201)外侧壁上开设有外螺纹，麦克风套筒(202内侧壁上开设有与外螺纹相对应的内螺纹，麦克风套筒(202)通过内螺纹与外螺纹的配合实现螺纹连接于麦克风底座(201)上。
5.根据权利要求2所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述麦克风底座9201的外侧壁底端开设有一止动螺纹孔(208)，有一个止动螺钉(209)螺纹连接地穿过该止动螺纹孔(208)后顶紧于麦克风(204)。
6.根据权利要求2所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述麦克风底座(201)为法兰盘结构，且麦克风底座(201)通过固定螺钉可拆卸地固定连接在谐振腔体(101)顶部。
7.根据权利要求2所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述谐振腔体(101)顶面与麦克风底座(201)底面之间密封配合。
8.根据权利要求7所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述谐振腔体(101)顶面开设有一环形的第三橡胶圈安装槽，该第三橡胶圈安装槽内填充有一个第三橡胶密封圈(104)，谐振腔体(101)通过所述第三橡胶密封圈(104)实现与麦克风底座(201)的密封配合。
9.根据权利要求1所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述谐振腔体(101)为长方体状结构，谐振腔(106)和开音孔(107)均为圆柱体结构。
10.根据权利要求1所述的声频可调声压增强型光声池，其特征在于：所述谐振腔体(101)的制作材质为紫铜、不锈钢、硬铝中的一种，且谐振腔(106)内腔表面经抛光加工处理。
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