CN109839180B - 一种谐振式高灵敏声传感器 - Google Patents

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一种谐振式高灵敏声传感器，属于声学探测技术领域，为了解决现有的声传感器灵敏度差的问题。本发明的壳体内设有腔体，并且，敏感元件、弹性梁、处理电路和引线均位于腔体内；腔体通过透声通道与外界连通；所述透声通道竖直设置，并且透声通道的底端为与腔体的连通端，透声通道的顶端为声波的接收口；质量块设置在腔体底部；弹性梁通过边缘固支方式固定在质量块与上壳体接触处；敏感元件固定在弹性梁中部；敏感元件通过引线与处理电路的输入端连接；处理电路的输出端与线缆的一端相连；线缆的另一端依次穿过质量块和壳体，并作为该声传感器的输出端。有益效果为灵敏度高，自适应能力强。

Description

一种谐振式高灵敏声传感器
技术领域
本发明属于声学探测技术领域。
背景技术
声检测技术有着重要的工程应用价值，声传感器是这一应用领域中的关键器件；目前声传感器仍然以非谐振式传感器为主；在现有的技术条件下，非谐振式传感器难以在保证频率响应范围的前提下，对指定目标进行精确探测，因其灵敏度提升空间有限；声传感器工作频率范围愈宽，灵敏度就愈低；反之工作频率范围愈窄，灵敏度就愈高；国内现有的声传感器工作频率范围都是应用于固有频率前段，频带范围的影响致使灵敏度无法达到高灵敏。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的声传感器灵敏度差的问题，提出了一种谐振式高灵敏声传感器。
本发明所述的一种谐振式高灵敏声传感器包括声滤波器、二阶谐振系统、处理电路、壳体、引线和线缆；
所述声滤波器包括透声通道和腔体；
所述二阶谐振系统包括敏感元件、质量块和弹性梁；
所述壳体包括上壳体和下壳体；
所述壳体内设有腔体，并且，敏感元件、弹性梁、处理电路和引线均位于腔体内；
所述腔体通过透声通道与外界连通；所述透声通道竖直设置，并且透声通道的底端为与腔体的连通端，透声通道的顶端为声波的接收口；
所述质量块设置在腔体底部；
所述弹性梁通过边缘固支方式固定在质量块与上壳体接触处；
所述敏感元件固定在弹性梁中部；敏感元件通过引线与处理电路的输入端连接；
所述处理电路的输出端与线缆的一端相连；线缆的另一端依次穿过质量块和壳体，并作为该声传感器的输出端。
本发明所述的声传感器的工作原理为：外界声波通过透声通道进入，经由腔体到达敏感元件，敏感元件将接收到的声波转换为电信号，该电信号经由引线传送至处理电路，由处理电路对电信号进行放大、滤波处理，最后通过线缆输出。
本发明的有益效果是通过声滤波器虑除频带外信号，获得所需窄带信号，又通过敏感元件、质量块、弹性梁组成二阶谐振系统，并且采用声滤波器与二阶谐振系统相结合的方式，提高该声传感器的灵敏度；采用弹性梁结构设计，提高该声传感器的自适应能力，使得该声传感器可根据外界信号激励的大小进行自适应跳转及控制恢复，具有灵敏度高，自适应能力强特点。
本发明适用于声学探测技术领域。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种谐振式高灵敏声传感器的结构示意图；
图2为具体实施方式一中的声学传感器频响曲线示意图,其中，P为声压幅值。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种谐振式高灵敏声传感器包括声滤波器、二阶谐振系统、处理电路6、壳体7、引线8和线缆9；
所述声滤波器包括透声通道1和腔体2；
所述二阶谐振系统包括敏感元件3、质量块4和弹性梁5；
所述壳体7包括上壳体7-1和下壳体7-2；
所述壳体7内设有腔体2，并且，敏感元件3、弹性梁5、处理电路6和引线8均位于腔体2内；
所述腔体2通过透声通道1与外界连通；所述透声通道1竖直设置，并且透声通道1的底端为与腔体2的连通端，透声通道1的顶端为声波的接收口；
所述质量块4设置在腔体2底部；
所述弹性梁5通过边缘固支方式固定在质量块4与上壳体7-1接触处；
所述敏感元件3固定在弹性梁5中部；敏感元件3通过引线8与处理电路6的输入端连接；
所述处理电路6的输出端与线缆9的一端相连；线缆9的另一端依次穿过质量块4和壳体7，并作为该声传感器的输出端；线缆9的另一端用于与外部设备相连。
在本实施方式中，外界声波通过透声通道1进入，经由腔体2到达敏感元件3，敏感元件3将接收到的声波转换为电信号，该电信号经由引线8传送至处理电路6，由处理电路6对电信号进行放大、滤波处理，最后通过线缆9输出；通过声滤波器和二阶谐振系统相结合，提高该声传感器的灵敏度；该声传感器是声学敏感元件在谐振状态工作的传感器，能够有效规避灵敏度和拓展频率范围之间的相互制约矛盾。
在本实施方式中，通过结构设计构造声学谐振结构，产生声信号的机械结构谐振，然后通过机械谐振结构设计制造敏感检测结构，选取频率响应特性曲线中的谐振峰fx附近段进行声信号的检测，这样该声传感器的检测灵敏性会高于现有的声传感器；采用相关调整技术，在一定程度上降低了谐振点处的灵敏度，同时拓宽了探测频率范围，详见图2，在图2中，现有的声传感器的谐振频率范围fp对应的声压幅值范围明显低于该声传感器的谐振频率范围fx对应的声压幅值范围，即该声传感器的探测频率范围更宽、灵敏度更高；
根据亥姆霍兹谐振腔理论，该声传感器的谐振频率是由透声通道1底端与质量块4的底面距离D，透声通道1的长度l、穿孔率σ、介质中声速C0决定的，见式(1)。
Figure BDA0001973962250000031
其中，穿孔率
Figure BDA0001973962250000032
S0为透声通道1的表面积，S为壳体7表面积，f为该声传感器的谐振频率；
该声传感器采用双迭片式弯曲振动检测模式，具有结构简单、灵敏度高、自适应能力强优点；
通过对力学敏感结构的结构设计，有针对性的设计力学品质因素Q，其值在1.5～3之间，对于声波作用于透声通道1的顶端声波的接收口，品质因数Q见式(2)。
Figure BDA0001973962250000033
其中，Ma为声波质量，Ra为声阻，通过改变谐振频率f，可以有效减小品质因素Q，从而达到调整该声传感器灵敏度的目的。
利用谐振特性进行高灵敏度声信号检测，通过调节声谐振结构进行高灵敏声感知机制，利用结构谐振特性设计检测传感器，采用声滤波器与二阶谐振系统相结合的设计，实现对声信号的高灵敏度谐振检测。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种谐振式高灵敏声传感器进一步限定，在本实施方式中，所述敏感元件3包括两片压电陶瓷圆片；
所述两片压电陶瓷圆片分别固定在弹性梁5的上下两侧，并且，两片压电陶瓷圆片串联在一起。
在本实施方式中，两片压电陶瓷圆片电荷相等、电压相加、电容减小，相应的该声传感器时间常数减小，并且通过胶粘接的方式将两片压电陶瓷圆片分别固定在弹性梁5的上下两侧；压电陶瓷圆片将声波转换为电荷，形成电信号。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种谐振式高灵敏声传感器进一步限定，在本实施方式中，弹性梁5为等截面梁。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种谐振式高灵敏声传感器进一步限定，在本实施方式中，处理电路6固定在质量块4上。

Claims (4)

1.一种谐振式高灵敏声传感器，其特征在于，该声传感器包括声滤波器、二阶谐振系统、处理电路(6)、壳体(7)、引线(8)和线缆(9)；
所述声滤波器包括透声通道(1)和腔体(2)；
所述二阶谐振系统包括敏感元件(3)、质量块(4)和弹性梁(5)；
所述壳体(7)包括上壳体(7-1)和下壳体(7-2)；
所述壳体(7)内设有腔体(2)，并且，敏感元件(3)、弹性梁(5)、处理电路(6)和引线(8)均位于腔体(2)内；
所述腔体(2)通过透声通道(1)与外界连通；所述透声通道(1)竖直设置，并且透声通道(1)的底端为与腔体(2)的连通端，透声通道(1)的顶端为声波的接收口,透声通道(1)具有一定长度；
所述质量块(4)设置在腔体(2)底部；
所述弹性梁(5)通过边缘固支方式固定在质量块(4)与上壳体(7-1)接触处；
所述敏感元件(3)固定在弹性梁(5)中部；敏感元件(3)通过引线(8)与处理电路(6)的输入端连接；
所述处理电路(6)的输出端与线缆(9)的一端相连；线缆(9)的另一端依次穿过质量块(4)和壳体(7)，并作为该声传感器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式高灵敏声传感器，其特征在于，所述敏感元件(3)包括两片压电陶瓷圆片；
所述两片压电陶瓷圆片分别固定在弹性梁(5)的上下两侧，并且，两片压电陶瓷圆片串联在一起。
3.根据权利要求1所述的一种谐振式高灵敏声传感器，其特征在于，弹性梁(5)为等截面梁。
4.根据权利要求1所述的一种谐振式高灵敏声传感器，其特征在于，处理电路(6)固定在质量块(4)上。
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