CN109945964B - 声波信号检测设备、方法以及智能终端 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种声波信号检测设备、方法以及智能终端，属于声波检测技术领域。该声波信号检测设备包括振膜、激光器、光电探测器和处理器，激光器和处理器电性连接。振膜，用于在声波信号的驱动下进行机械振动；激光器，用于向振膜发射激光，接收激光经振膜反射的反射光；光电探测器，用于探测激光与反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向处理器发送探测到的干涉光的光强；处理器，用于基于干涉光的光强，确定振膜和激光器之间的距离，基于距离，确定声波信号的振幅。采用本申请，可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

Description

声波信号检测设备、方法以及智能终端

技术领域

本申请是关于声波检测技术领域，尤其是关于一种声波信号检测设备、方法以及智能终端。

背景技术

可以通过微机电系统(Micro-Electro-Mechanical S_ystem，MEMS)电容采集声波信号，MEMS电容主要包括硅振膜和硅背极两部分，硅振膜和硅背极相隔，它们之间的距离极小。硅振膜的两端是固定的，硅振膜中间的振动部分可以在声波信号的驱动下进行机械振动。在硅振膜进行机械振动的过程中，硅背极静止不动，硅振膜中间的振动部分和硅背极之间的距离产生变化。当它们之间的距离产生变化时，MEMS电容的电容值随之变化。进而，可以通过检测MEMS电容的电容值，确定声波信号的振动幅度。

在实现本申请的过程中，发明人发现至少存在以下问题：

在硅振膜进行机械振动的过程中，硅振膜中间的振动部分和硅背极之间的距离产生变化，硅振膜就会推动和硅背极之间的气流。然而由于硅背极静止不动，同时硅振膜和硅背极之间的距离极小，因此硅背极会形成阻碍硅振膜中间的振动部分进行机械振动的气流。如果硅振膜不能自由地进行机械振动，MEMS电容采集声波信号的灵敏度会降低。

发明内容

本申请提供一种声波信号检测设备，用于提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。另外，本申请还提供了与该声波信号检测设备相对应的声波信号检测方法以及包括该声波信号检测设备的智能终端。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种声波信号检测设备，所述声波信号检测设备包括振膜、激光器、光电探测器和处理器。

所述振膜，用于在声波信号的驱动下进行机械振动。所述激光器，用于向所述振膜发射激光(例如所述激光器的激光发射方向朝向所述振膜)，接收所述激光经所述振膜反射的反射光。所述光电探测器，用于探测所述激光与所述反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向所述处理器发送探测到的所述干涉光的光强。所述处理器，用于基于所述干涉光的光强确定所述振膜和所述激光器之间的距离，基于所述距离确定所述声波信号的振幅。

通过本申请实施例提供的声波信号检测设备，可以在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况。由于采用激光测距的方式，因此激光器无需设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。在检测振膜的振动情况的过程中，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，因此在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况的方式，可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

可选的，该预设阈值可以为4.6。

为了实现所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值，可以将所述振膜设置成具有较低的反射率。

当振膜具有较低的反射率时，经振膜反射后的反射光的光强较小。这将减小激光器的外腔耦合效率，使得该自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，也即实现弱反馈或适度反馈的自混合效应。

另外，当所述振膜具有较低的反射率时，经振膜反射后的反射光的光强较小。这将允许激光器与振膜在布置的非常接近的时候，反射光的光强依然比较小。显而易见地，在激光器与振膜布置的非常接近时，该声波信号检测设备的尺寸也将很小，也即，该振膜具有较低的反射率，最终还有有利于实现该声波信号检测设备的尺寸小型化。

在所述振膜具有较低的反射率时，可选的，所述振膜可以为MEMS硅振膜、石墨烯振膜、高分子塑料振膜或金属振膜。自然，该振膜还可以采用其他材料，只要能够满足具有较低的反射率即可。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构。

在本实施例中，由于振膜的表面具有纳米多孔，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面设置有减反射薄膜。

在本实施例中，由于振膜的表面设置有减反射薄膜，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为金字塔阵列结构。

在本实施例中，由于振膜的激光照射面为金字塔阵列结构，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述振膜为金属振膜，所述金属振膜的激光照射面为粗糙表面。

在本实施例中，由于振膜为金属振膜且该金属振膜的激光照射面为粗糙表面，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第一方面，在第六种可能的实现方式中，所述处理器，用于确定所述干涉光的光强和所述激光器发射的激光的光强的比值；基于所述比值，确定所述振膜和所述激光器之间的距离。

结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述处理器，用于基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离。所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述处理器，用于采用如下公式，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述公式为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为所述比值，t为当前时间点，L_ext为所述振膜和所述激光器之间的距离，k为

λ为激光的波长，_α为所述激光器的线宽展宽因子，m为激光器的调制系数，C为

τ_ext为激光从所述激光器传播至处于静止状态的所述振膜所需时长，τ_L为激光在所述激光器的内腔传播所需时长，ξ为所述激光器与所述振膜之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。

结合第一方面，在第九种可能的实现方式中，所述激光器和所述光电探测器集成在一个光芯片中。

激光器和光电探测器可以集成在一个光芯片中。激光器用于向振膜发射激光，接收激光经过振膜反射的反射光。光电探测器和处理器电性连接，用于探测发射的激光与振膜反射的反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向处理器发送探测到的干涉光的光强。

结合第一方面或第一方面的第一种至第九种任一种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述激光器为单模垂直腔面发射激光器。

结合第一方面或第一方面的第一种至第四种任一种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，所述光电器件发射的激光在所述振膜上的入射位置位于所述振膜的中心。

结合第一方面或第一方面的第一种至第四种任一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述声波信号检测设备还包括基板和外壳。所述激光器、所述光电探测器和所述处理器安装于所述基板上。所述外壳扣置固定在所述基板上。所述外壳上设置有拾音孔，所述振膜设置在外壳内部与所述拾音孔对应的位置。

盖板和基板之间存在一定的距离，基板上可以设置有激光器和处理器，这样，振膜和激光器之间的后腔的空间较大，后腔内部空气体积较大，进而声波信号更易驱动振膜进行机械振动。通过上述方式，可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度，改善其低频响应。同时，较小的前室可以提高振膜的谐振频率，进而可以改善声波信号检测设备的高频响应，使得频响更加平坦。

结合第一方面的第十二种可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，所述外壳的内壁上与所述拾音孔相邻的两侧分别设置有支柱，所述振膜固定在所述支柱上。

第二方面，本申请提供一种声波信号检测方法，所述方法应用于包括振膜、激光器、光电探测器的声波信号检测设备。该方法具体包括如下步骤。

探测激光与反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，其中所述激光为所述激光器向所述振膜发射的激光，所述反射光为所述激光经所述振膜反射的反射光。

基于所述干涉光的光强，确定所述振膜和所述激光器之间的距离。

基于所述距离确定声波信号的振幅。

可以通过光电探测器来检测干涉光的光强，基于干涉光的光强，确定振膜和激光器之间的距离，通过振膜和激光器之间的距离，确定振膜的振动情况。由于采用了激光测距的方式，无需将激光器设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。进而，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，这样可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

可选的，该预设阈值为4.6。

为了实现所述反射光在所述激光器的内腔发射自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，可以使所述振膜具有较低的反射率。这是因为当所述振膜具有较低的反射率时，经该振膜反射后的反射光的光强较小。这将减小激光器的外腔耦合效率，使得该自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，也即实现弱反馈或适度反馈的自混合效应。

另外，当振膜具有较低的反射率时，经振膜反射后的反射光的光强较小。这将允许激光器与振膜在布置的非常接近的时候，反射光的光强依然比较小。显而易见地，在激光器与振膜布置的非常接近时，该声波信号检测设备的尺寸也将很小，也即，该振膜具有较低的反射率，最终还有有利于实现该声波信号检测设备的尺寸小型化。

在所述振膜具有较低的反射率时，可选的，所述振膜可以为MEMS硅振膜、石墨烯振膜、高分子塑料振膜或金属振膜。自然，该振膜还可以采用其他材料，只要能够满足具有较低的反射率即可。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构。

纳米多孔结构使得振膜的反射率较低，进而经该振膜反射后的反射光的光强较小。这将减小激光器的外腔耦合效率，使得该自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，也即实现弱反馈或适度反馈的自混合效应。

在本实施例中，由于振膜的表面具有纳米多孔，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面设置有减反射薄膜。

在本实施例中，由于振膜的表面设置有减反射薄膜，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为金字塔阵列结构。

在本实施例中，由于振膜的激光照射面为金字塔阵列结构，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述振膜为金属振膜，所述金属振膜的激光照射面为粗糙表面。

在本实施例中，由于振膜为金属振膜且该金属振膜的激光照射面为粗糙表面，因此可以减小振膜表面的反射率，使得所述激光经过所述振膜反射后，该反射光的强度较小。

结合第二方面，在第六种可能的实现方式中，所述基于所述干涉光的光强，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，具体包括如下步骤。

确定所述干涉光的光强和所述激光器发射的激光的光强的比值；

基于所述比值，确定所述振膜和所述激光器之间的距离。

结合第二方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述基于所述比值，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，具体包括：

基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度。

结合第二方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度。具体包括：

采用如下公式，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述公式为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为所述比值，t为当前时间点，L_ext为所述振膜和所述激光器之间的距离，k为

λ为激光的波长，_α为所述激光器的线宽展宽因子，m为所述激光器的调制系数，C为

τ_ext为激光从所述激光器传播至处于静止状态的所述振膜所需时长，τ_L为激光在所述激光器的内腔传播所需时长，ξ为所述激光器与所述振膜之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。

第三方面，本申请提供一种智能终端，该智能终端包括本申请实施例第一方面所述的声波信号检测设备和位于所述智能终端边框上的小孔，所述声波信号检测设备中的所述振膜通过所述小孔接收空气振动。

通过本申请实施例提供的智能终端，采用了第一方面提供的声波信号检测设备，声波信号检测设备可以通过激光器、光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况。在声波信号检测设备中，由于采用激光测距的方式，因此激光器无需设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。在检测振膜的振动情况的过程中，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，因此可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。进而，也可以相应提高采用了该声波信号检测设备的智能终端检测声波信号的灵敏度，使得智能终端可以远距离检测声波信号。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。在附图中：

图1示出了智能终端的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种声波信号检测设备的结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种声波信号检测设备的结构示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种激光自混合效应的模型的示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种声波信号检测方法的流程示意图。

附图示例：

智能终端100； 扬声器170A；

受话器170B； 麦克风170C；

耳机接口170D； 音频模块170；

声波信号检测设备140； 处理器110；

小孔150； 外部存储器121；

外部存储器接口120； USB接口130；

振膜11； 激光器12；

处理器13； 光电探测器14；

基板21； 外壳22；

拾音孔23； 支柱24

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本申请一示例性实施例提供了一种智能终端，图1示出了智能终端100的结构示意图。

智能终端100可以包括处理器110，外部存储器接口120，内部存储器121，通用串行总线(universal serial bus，USB)接口130，音频模块170，扬声器170A，受话器170B，麦克风170C，耳机接口170D等。可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对智能终端100的具体限定。在本申请另一些实施例中，智能终端100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。

处理器110可以包括一个或多个处理单元，例如：处理器110可以包括应用处理器(application processor，AP)，调制解调处理器，图形处理器(graphics processingunit，GPU)，图像信号处理器(image signal processor，ISP)，控制器，视频编解码器，数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，基带处理器，和/或神经网络处理器(neural-network processing unit，NPU)等。其中，不同的处理单元可以是独立的器件，也可以集成在一个或多个处理器中。

控制器可以根据指令操作码和时序信号，产生操作控制信号，完成取指令和执行指令的控制。

处理器110中还可以设置存储器，用于存储指令和数据。在一些实施例中，处理器110中的存储器为高速缓冲存储器。该存储器可以保存处理器110刚用过或循环使用的指令或数据。如果处理器110需要再次使用该指令或数据，可从所述存储器中直接调用。避免了重复存取，减少了处理器110的等待时间，因而提高了系统的效率。

可选的，前述实施例中所述的声波信号检测设备中的处理器即为所述智能终端所包括的处理器110。

在一些实施例中，处理器110可以包括一个或多个接口。接口可以包括集成电路(inter-integrated circuit，I2C)接口，集成电路内置音频(inter-integrated circuitsound，I2S)接口，脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)接口，通用异步收发传输器(universal as_ynchronous receiver/transmitter，UART)接口，移动产业处理器接口(mobile industr_y processor interface，MIPI)，通用输入输出(general-purposeinput/output，GPIO)接口，用户标识模块(subscriber identity module，SIM)接口，和/或通用串行总线(universal serial bus，USB)接口等。

I2S接口可以用于音频通信。在一些实施例中，处理器110可以包含多组I2S总线。处理器110可以通过I2S总线与音频模块170耦合，实现处理器110与音频模块170之间的通信。在一些实施例中，音频模块170可以通过I2S接口向无线通信模块传递音频信号，实现通过蓝牙耳机接听电话的功能。

PCM接口也可以用于音频通信，将模拟信号抽样，量化和编码。在一些实施例中，音频模块170与无线通信模块可以通过PCM总线接口耦合。在一些实施例中，音频模块170也可以通过PCM接口向无线通信模块传递音频信号，实现通过蓝牙耳机接听电话的功能。所述I2S接口和所述PCM接口都可以用于音频通信。

UART接口是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线可以为双向通信总线。它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间转换。在一些实施例中，UART接口通常被用于连接处理器110与无线通信模块。例如：处理器110通过UART接口与无线通信模块中的蓝牙模块通信，实现蓝牙功能。在一些实施例中，音频模块170可以通过UART接口向无线通信模块传递音频信号，实现通过蓝牙耳机播放音乐的功能。

MIPI接口可以被用于连接处理器110与显示屏，摄像头等外围器件。MIPI接口包括摄像头串行接口(camera serial interface，CSI)，显示屏串行接口(display serialinterface，DSI)等。在一些实施例中，处理器110和摄像头通过CSI接口通信，实现智能终端100的拍摄功能。处理器110和显示屏通过DSI接口通信，实现智能终端100的显示功能。

GPIO接口可以通过软件配置。GPIO接口可以被配置为控制信号，也可被配置为数据信号。在一些实施例中，GPIO接口可以用于连接处理器110与摄像头，显示屏，无线通信模块，音频模块170，传感器模块等。GPIO接口还可以被配置为I2C接口，I2S接口，UART接口，MIPI接口等。

USB接口130是符合USB标准规范的接口，具体可以是Mini USB接口，Micro USB接口，USB Type C接口等。USB接口130可以用于连接充电器为智能终端100充电，也可以用于智能终端100与外围设备之间传输数据。也可以用于连接耳机，通过耳机播放音频。该接口还可以用于连接其他智能终端，例如AR设备等。

可以理解的是，本发明实施例示意的各模块间的接口连接关系，只是示意性说明，并不构成对智能终端100的结构限定。在本申请另一些实施例中，智能终端100也可以采用上述实施例中不同的接口连接方式，或多种接口连接方式的组合。

外部存储器接口120可以用于连接外部存储卡，例如Micro SD卡，实现扩展智能终端100的存储能力。外部存储卡通过外部存储器接口120与处理器110通信，实现数据存储功能。例如将音乐，视频等文件保存在外部存储卡中。

内部存储器121可以用于存储计算机可执行程序代码，所述可执行程序代码包括指令。内部存储器121可以包括存储程序区和存储数据区。其中，存储程序区可存储操作系统，至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能，图像播放功能等)等。存储数据区可存储智能终端100使用过程中所创建的数据(比如音频数据，电话本等)等。此外，内部存储器121可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件，闪存器件，通用闪存存储器(universal flash storage，UFS)等。处理器110通过运行存储在内部存储器121的指令，和/或存储在设置于处理器中的存储器的指令，执行智能终端100的各种功能应用以及数据处理。

智能终端100可以通过音频模块170，扬声器170A，受话器170B，麦克风170C，耳机接口170D，以及应用处理器等实现音频功能。例如音乐播放，录音等。

音频模块170用于将数字音频信息转换成模拟音频信号输出，也用于将模拟音频输入转换为数字音频信号。音频模块170还可以用于对音频信号编码和解码。在一些实施例中，音频模块170可以设置于处理器110中，或将音频模块170的部分功能模块设置于处理器110中。

扬声器170A，也称“喇叭”，用于将音频电信号转换为声音信号。智能终端100可以通过扬声器170A收听音乐，或收听免提通话。

受话器170B，也称“听筒”，用于将音频电信号转换成声音信号。当智能终端100接听电话或语音信息时，可以通过将受话器170B靠近人耳接听语音。

麦克风170C，也称“话筒”，“传声器”，用于将声音信号转换为电信号。当拨打电话或发送语音信息时，用户可以通过人嘴靠近麦克风170C发声，将声音信号输入到麦克风170C。智能终端100可以设置至少一个麦克风170C。在另一些实施例中，智能终端100可以设置两个麦克风170C，除了采集声音信号，还可以实现降噪功能。在另一些实施例中，智能终端100还可以设置三个，四个或更多麦克风170C，实现采集声音信号，降噪，还可以识别声音来源，实现定向录音功能等。

耳机接口170D用于连接有线耳机。耳机接口170D可以是USB接口130，也可以是3.5mm的开放移动智能终端平台(open mobile terminal platform，OMTP)标准接口，美国蜂窝电信工业协会(cellular telecommunications industry association of the USA，CTIA)标准接口。

进一步地，本申请实施例提供给的智能终端100除了包括上述部件以外，还包括声波信号检测设备140和位于所述智能终端边框上的小孔150，所述声波信号检测设备140中的所述振膜通过所述小孔150接收空气振动。

关于声波信号检测设备140，在下述部分将会有专门的实施例对其进行详细说明，因此此处暂不展开描述。

在实施中，可以在智能终端100边框上设置小孔150，声波信号检测设备140中的拾音孔可以安装在和小孔150对应的位置上。小孔150和拾音孔之间可以设置有拾音通道，拾音通道可以是塑料材质的通道，通道可以是直的也可以是弯曲的。无论通道是直的还是弯曲的，声波信号都可以通过小孔150进入到拾音孔中，以驱动拾音孔后面的振膜进行机械振动。

本申请一示例性实施例提供了一种声波信号检测设备140，如图2所示，声波信号检测设备140可以包括振膜11、激光器12、光电探测器14和处理器13。

振膜11用于在声波信号的驱动下进行机械振动。激光器12用于向振膜11发射激光，接收激光经过振膜11反射的反射光，光电探测器14用于探测发射的激光与振膜11反射的反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向处理器13发送探测到的干涉光的光强。处理器13用于基于干涉光的光强，确定振膜11和激光器12之间的距离，基于距离，确定声波信号的振幅。

在实施中，当目标对象发出声音时，声波信号可以通过空气等介质传播，声波信号可以传播到声波信号检测设备140中的振膜11位置处。当声波信号传播到振膜11位置处时，振膜11在声波信号的驱动下进行机械振动。

声波信号检测设备140还可以包括驱动器，驱动器和激光器12电性连接，驱动器用于驱动激光器12发射激光。

可以预先设置激光器12发射激光的朝向，使得激光器12朝向振膜11发射激光。在振膜11进行机械振动的过程中，激光器12朝向振膜11发射激光。

可选地，激光器12和光电探测器14可以集成在一个光芯片中。

其中，激光器12和光电探测器14可以集成在一个光芯片中，激光器12可以是一个光芯片。激光器12用于向振膜11发射激光，接收激光经过振膜11反射的反射光。光电探测器14和处理器13电性连接，用于探测发射的激光与振膜11反射的反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向处理器13发送探测到的干涉光的光强。

激光器12的内部设置有内腔，激光器12发射激光的出光端口和振膜11之间的空间形成外腔，外腔的长度为振膜11和激光器12之间的距离。内腔的长度是固定不变的，外腔的长度随着振膜11的振动增加或者减小。其中，激光器12的内腔也可以称为激光器12的谐振腔。在激光器12的内部可以安置两面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另外一面是部分反射镜，这两面反射镜及它们之间的空间可以作为激光器12的内腔。

激光从激光器12的出光端口通过外腔传播到振膜11的表面，经过振膜11的表面进行反射，再返回到激光器12内部。外腔的长度会影响反射光的相位。反射光在返回到激光器12内部之后，会与激光器12内部的激光在激光自混合效应的作用下进行干涉，并产生干涉光。光的干涉现象是指因两束光波相遇而引起光的强度重新分布的现象。干涉光的光强是变化的非固定的，干涉光的光强和反射光的相位相关。因此，最终外腔的长度会影响干涉光的光强。从而可以通过检测干涉光的光强，确定外腔的长度。其中，发光强度可以简称光强，国际单位是candela(坎德拉)，可以简写为cd。

可选地，光电探测器14设置在激光器12的后方。

在实施中，可以将光电探测器14设置在紧临激光器12的下方，干涉光可以从激光器12内部传播到光电探测器14中，并被光电探测器14探测。

光电探测器14可以将干涉光转换为电流信号，处理器13可以将电流信号转换为电压信号，对电压信号进行滤波、放大。可以通过带通滤波器进行滤波，带通滤波器的频率范围可以为30Hz至10kHz。通过滤波处理，可以将背景光和高频噪音等进行滤除。对电压信号进行滤波处理之后，可以对滤波后的电压信号进行放大处理。

处理器13可以基于滤波、放大后的电压信号，确定干涉光的光强，再基于干涉光的光强，确定外腔的长度，基于外腔的长度，确定声波信号的振幅。可选地，可以将处理器13和驱动器集成在一个供专门应用的集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片中。

可选地，激光器12可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)。进一步地，激光器12可以为单模垂直腔面发射激光器。

其中，在一种可能的应用场景中，单模垂直腔面发射激光器的发光波长可以为850nm左右或者940nm左右。单模垂直腔面发射激光器的阈值电流可以为0.7mA，工作电流可以为2mA，输出功率可以为0.5mW。相应地，光电探测器14输出的电流可以为0.5mA。单模垂直腔面发射激光器的长度可以为150um至200um之间，宽度可以为150um至200um之间，厚度可以为120um-150um之间。

可选地，反射光在激光器12的内腔发生自混合干涉时，自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

其中，预设阈值可以为4.6。

当振膜11具有较低的反射率时，经振膜11反射后的反射光的光强较小。这将减小激光器12的外腔耦合效率，使得该自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，也即实现弱反馈或适度反馈的自混合效应。

另外，当振膜11具有较低的反射率时，经振膜11反射后的反射光的光强较小。这将允许激光器12与振膜11在布置的非常接近的时候，反射光的光强依然比较小。显而易见地，在激光器12与振膜11布置的非常接近时，该声波信号检测设备的尺寸也将很小，也即，该振膜11具有较低的反射率，最终还有有利于实现该声波信号检测设备140的尺寸小型化。

可选地，振膜11可以为MEMS硅振膜。振膜11还可以为石墨烯振膜、高分子塑料振膜或者金属振膜中的一种。

MEMS硅振膜、石墨烯振膜、高分子塑料振膜、金属振膜的反射率都比较低，在实际应用中，除了本申请实施例提供的几种材料之外，还可以采用其他反射率较低的振膜。

其中，在一种可能的应用场景中，MEMS硅振膜的厚度可以为500nm至1.5um之间。

可选地，振膜11为MEMS硅振膜，MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构。

由于MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构，纳米多孔结构使得MEMS硅振膜的激光照射面的反射率较低，进而经该振膜反射后的反射光的光强较小。这将减小激光器的外腔耦合效率，使得该自混合干涉的反馈因子小于或等于预设阈值，也即实现弱反馈或适度反馈的自混合效应。

可选地，振膜11为MEMS硅振膜，MEMS硅振膜的激光照射面设置有减反射薄膜。其中，可以在MEMS硅振膜的激光照射面设置一层或多层氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或它们的组合等。

可选地，振膜11为MEMS硅振膜，MEMS硅振膜的激光照射面为金字塔阵列结构。

可选地，振膜11为金属振膜，金属振膜的激光照射面为粗糙表面。其中，金属振膜的激光照射面可以为多孔状、刻蚀的点阵结构或纹理结构等。

可选地，如图3所示，声波信号检测设备140还可以包括基板21和外壳22。激光器12、光电探测器14和处理器13安装于基板21上。外壳22扣置固定在基板21上。外壳22上设置有拾音孔23，振膜11设置在外壳22内部与拾音孔23对应的位置。可选地，声波信号检测设备140还可以包括支柱24。外壳22内壁上与拾音孔23相邻的两侧分别设置有支柱24，振膜11固定在支柱24上。

在实施中，外壳22可以包括盖板和两侧的中框，外壳22也可以为一体外壳22，即盖板和两侧的中框为一体的结构。基板21和外壳22可以为印制电路板(Printed CircuitBoard，PCB)材质，或者，基板21可以为PCB材质，外壳22为金属材质。

振膜11可以设置在临近盖板且与拾音孔23相对的位置上，振膜11的中心和拾音孔23的中心之间的连线可以垂直于振膜11所在的平面，可以通过支柱24对振膜11进行支撑，并将振膜11固定在外壳22的内壁侧。

盖板和基板21之间存在一定的距离，基板21上可以设置有激光器12和处理器13，这样，振膜11和激光器12之间的后腔的空间较大，后腔内部空气体积较大，进而声波信号更易驱动振膜11进行机械振动。通过上述方式，可以提高声波信号检测设备140检测声波信号的灵敏度，改善其低频响应。同时，振膜11的谐振频率也会响应得到提高，进而可以改善声波信号检测设备140的高频响应。

可选地，光电器件发射的激光在振膜11上的入射位置位于振膜11的中心。

在实施中，光电器件发射的激光在振膜11上的入射位置可以位于振膜11的中心，这样声波信号更易驱动振膜11进行机械振动，进而可以提高声波信号检测设备140检测声波信号的灵敏度。

可选地，处理器13可以用于：确定干涉光的光强和激光器12发射的激光的光强的比值；基于比值，确定振膜11和激光器12之间的距离。进一步地，处理器13可以用于：基于比值和激光器12的属性参数，确定振膜11和激光器12之间的距离，激光器12的属性参数包括激光器12的线宽展宽因子、激光器12的调制系数和激光器12的内腔的长度。

在实施中，激光器12发射的激光的光强可以是激光器12未进行调制下的原始发射激光的光强，其值可以预先存储在处理器13中，也可以预先探测获取。

可以通过光电探测器来检测干涉光的光强，基于干涉光的光强，确定振膜和激光器之间的距离，通过振膜和激光器之间的距离，确定振膜的振动情况。由于采用了激光测距的方式，无需将激光器设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。进而，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，这样可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

处理器13可以用于基于比值、激光器12的内腔的长度和公式1，确定振膜11和激光器12之间的距离，其中，公式1可以为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为比值，t为当前时间点，L_ext为振膜11和激光器12之间的距离，k为

λ为激光的波长，α为激光器12的线宽展宽因子，m为激光器12的调制系数，C为

τ_ext为激光从激光器12传播至处于静止状态的振膜11所需时长，τ_L为激光在激光器12的内腔传播所需时长，ξ为激光器12与振膜11之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。其中，外腔耦合效率可以是从激光器12外部耦合进入激光器12内部且与激光器12内部的激光发生干涉的反射光的功率，与激光器发射的激光的功率之间的比值。

图4为激光自混合效应的模型，M1和M2分别为激光器12前后的两个反射镜，M1和M2之间的部分形成激光器12的内腔，L为激光器12的内腔的长度，L_ext为激光器12的外腔的长度。当激光器12外部存在反射光时，反射光可以进入到激光器12的内部，改变激光器12的谐振条件。进而，可以影响激光器12的增益和阈值电流，使得激光器12的光频率和光强被调制，产生激光自混合效应。由于振膜11可以对激光进行反射，因此可以认为振膜11和激光器12之间构成外腔，并形成了新的振幅和相位条件。

在外界弱光反馈条件下，激光器12发射激光的频率为：

其中，v为激光器12发射激光的频率，v₀为激光器12未进行调制下的原始发射激光的频率，可以为预设值。φ_ext为激光器12的外腔的反馈相位。α为激光器12的线宽展宽因子。C为反馈因子，其值可以为

τ_ext为激光从激光器12传播至处于静止状态的振膜11所需时长，τ_L为激光在激光器12的内腔传播所需时长，ξ为激光器12与振膜11之间的外腔耦合效率。τ_ext可以通过外腔的长度和光速求得，外腔的长度可以取处于静止状态的振膜11和激光器12之间的距离。

通过公式2可以看出，激光器12发射激光的频率是φ_ext的周期函数。

在外界弱光反馈条件下，激光的光强为：

其中，I₀为激光器12未进行调制下的原始发射激光的光强，可以为预设值。m为激光器12的调制系数。L_ext为振膜11和激光器12之间的距离。c为光速。

L_ext的函数为：

其中，L₀为处于静止状态的振膜11和激光器12之间的距离。ΔL_p-p为外腔的长度的峰峰值。v₁为余弦振动信号的频率。

通过将公式4代入到公式3中，可以得到：

干涉光的波动信号函数可以为：

其中，F为干涉光的波动信号函数，其值为干涉光的光强和预先存储的激光器12发射的激光的光强的比值。

通过联合公式2、公式4和公式6，可以反解L_ext，得到公式1。

当

大于0时，L_ext大于L₀，当

小于0时，L_ext小于L₀，

的值取决于当前时间点，振膜11的振动方向。当

等于0时，L_ext等于L₀，即等于处于静止状态的振膜11和激光器12之间的距离，L₀可以为固定值，可以预先存储在处理器13中。

可以通过公式1，构造振膜11的振动信号，继而可以对振膜11的振动信号进行放大，可以通过高速跨阻放大器对振膜11的振动信号进行放大。接着，可以对放大的振动信号进行滤波，可以通过隔直电容滤除放大的振动信号中的直流分量。随后，可以对振动信号进行信号采集，可以通过高速、低失真数据采集电路对振动信号进行采集，最终可以将采集的数据进行保存。

通过本申请实施例提供的声波信号检测设备，可以在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况。由于采用激光测距的方式，因此激光器无需设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。在检测振膜的振动情况的过程中，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，因此在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况的方式，可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

本申请一示例性实施例提供了一种声波信号检测方法，所述方法应用于包括振膜、激光器、光电探测器的声波信号检测设备，如图5所示，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

步骤S410，探测激光与反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，其中所述激光为所述激光器向所述振膜发射的激光，所述反射光为所述激光经所述振膜反射的反射光；

步骤S420，基于所述干涉光的光强，确定所述振膜和所述激光器之间的距离；

步骤S430，基于所述距离确定声波信号的振幅。

在一种可能的实现方式中，所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

在一种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构。

在一种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面设置有减反射薄膜。

在一种可能的实现方式中，所述振膜为MEMS硅振膜，所述MEMS硅振膜的激光照射面为金字塔阵列结构。

在一种可能的实现方式中，所述振膜为金属振膜，所述金属振膜的激光照射面为粗糙表面。

在一种可能的实现方式中，所述基于所述干涉光的光强，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，包括：

确定所述干涉光的光强和所述激光器发射的激光的光强的比值；

基于所述比值，确定所述振膜和所述激光器之间的距离。

在一种可能的实现方式中，所述基于所述比值，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，包括：

基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度。

在一种可能的实现方式中，所述基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度，包括：

采用如下公式，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述公式为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为所述比值，t为当前时间点，L_ext为所述振膜和所述激光器之间的距离，k为

λ为激光的波长，α为所述激光器的线宽展宽因子，m为所述激光器的调制系数，C为

τ_ext为激光从所述激光器传播至处于静止状态的所述振膜所需时长，τ_L为激光在所述激光器的内腔传播所需时长，ξ为所述激光器与所述振膜之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。

关于上述实施例中的方法，其中各个步骤的具体实现方式已经在有关该设备的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

通过本申请实施例提供的声波信号检测方法，可以在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况。由于采用激光测距的方式，因此激光器无需设置在和振膜很近的位置上，激光器和振膜之间的空间较大。在检测振膜的振动情况的过程中，激光器不会阻碍振膜自由地进行机械振动，因此在使用激光器的基础上，通过光电探测器和处理器的配合来检测振膜的振动情况的方式，可以提高声波信号检测设备检测声波信号的灵敏度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (11)

1.一种声波信号检测设备，其特征在于，所述声波信号检测设备包括振膜、激光器、光电探测器和处理器，所述激光器和所述光电探测器集成在一个光芯片中，所述振膜为微机电系统MEMS硅振膜或金属振膜，所述金属振膜的激光照射面为粗糙表面，所述MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构，或，为金字塔阵列结构，或，设置有减反射薄膜，其中：

所述振膜，用于在声波信号的驱动下进行机械振动；

所述激光器，用于向所述振膜发射激光，接收所述激光经所述振膜反射的反射光；

所述光电探测器，用于探测所述激光与所述反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，向所述处理器发送探测到的所述干涉光的光强；

所述处理器，用于确定所述干涉光的光强和所述激光的光强的比值，基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，基于所述距离确定所述声波信号的振幅，其中，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度。

2.根据权利要求1所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

3.根据权利要求1所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述处理器，用于采用如下公式，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述公式为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为所述比值，t为当前时间点，L_ext为所述振膜和所述激光器之间的距离，k为

λ为激光的波长，α为所述激光器的线宽展宽因子，m为所述激光器的调制系数，C为反馈因子

τ_ext为激光从所述激光器传播至处于静止状态的所述振膜所需时长，τ_L为激光在所述激光器的内腔传播所需时长，ξ为所述激光器与所述振膜之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。

4.根据权利要求1至3任一项所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述激光器为单模垂直腔面发射激光器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述激光器发射的激光在所述振膜上的入射位置位于所述振膜的中心。

6.根据权利要求1至3任一项所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述声波信号检测设备还包括基板和外壳；

所述激光器、所述光电探测器和所述处理器安装于所述基板上；

所述外壳扣置固定在所述基板上；

所述外壳上设置有拾音孔，所述振膜设置在外壳内部与所述拾音孔对应的位置。

7.根据权利要求6所述的声波信号检测设备，其特征在于，所述外壳的内壁上与所述拾音孔相邻的两侧分别设置有支柱，所述振膜固定在所述支柱上。

8.一种声波信号检测方法，其特征在于，所述方法应用于包括振膜、激光器、光电探测器的声波信号检测设备，所述激光器和所述光电探测器集成在一个光芯片中，所述振膜为微机电系统MEMS硅振膜或金属振膜，所述金属振膜的激光照射面为粗糙表面，所述MEMS硅振膜的激光照射面为纳米多孔结构，或，为金字塔阵列结构，或，设置有减反射薄膜，包括：

探测激光与反射光之间发生干涉形成的干涉光的光强，其中所述激光为所述激光器向所述振膜发射的激光，所述反射光为所述激光经所述振膜反射的反射光；

确定所述干涉光的光强和所述激光器发射的激光的光强的比值；

基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度；

基于所述距离确定声波信号的振幅。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反射光在所述激光器的内腔发生自混合干涉时，所述自混合干涉的反馈因子小于或者等于预设阈值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述比值和所述激光器的属性参数，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，所述激光器的属性参数包括所述激光器的线宽展宽因子、所述激光器的调制系数和所述激光器的内腔的长度，包括：

采用如下公式，确定所述振膜和所述激光器之间的距离，其中，所述公式为：

当

时，

当

时，

当

时，L_ext＝L₀

其中，F为所述比值，t为当前时间点，L_ext为所述振膜和所述激光器之间的距离，k为

λ为激光的波长，α为所述激光器的线宽展宽因子，m为所述激光器的调制系数，C为反馈因子

τ_ext为激光从所述激光器传播至处于静止状态的所述振膜所需时长，τ_L为激光在所述激光器的内腔传播所需时长，ξ为所述激光器与所述振膜之间的外腔耦合效率，L₀为处于静止状态的所述振膜和所述激光器之间的距离。

11.一种智能终端，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的声波信号检测设备和位于所述智能终端的边框上的小孔，所述声波信号检测设备中的所述振膜通过所述小孔接收空气振动。

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