CN110260971B - 一种声压信号放大结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声压信号放大结构，包括外壳(1)、一级敏感膜(2)、连杆(3)、二级敏感膜(4)、终端敏感膜(5)，用于对外部加载的声压进行放大。即，外部声压作用到一级敏感膜，使一级敏感膜发生形变，而作用到一级敏感膜表面的声压通过连杆进行放大，并传递到二级敏感膜。由于二级敏感膜与终端敏感膜形成密封腔，则二级敏感膜受连杆作用而产生形变，进而引起密封腔压强变化，并作用到终端敏感膜。由此，终端敏感膜感受的声压为放大后的声压。该放大后的声压信号可通过光纤检测或电学检测方式，获取该终端敏感膜的中心挠度变化，从而实现待测声压的测量。本发明具有结构新型、体积小、声压增敏，并可拓展至MEMS工艺实现外结构封装。

Description

一种声压信号放大结构

技术领域

本发明属于声压传感技术领域，尤其涉及一种声压信号放大结构。

背景技术

随着信息技术突飞猛进，高灵敏度微弱声信号探测已成为国内外研究重点。而且，近年来声压传感器的研究热点也从电声传感技术向光纤式声压传感技术发展。例如，光纤式声压传感器是一种利用光纤作为传光介质或探测单元的一类声传感器，相比传统电声传感器其具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰等优点，可广泛应用于国防安全、工业无损检测、医疗诊断及消费电子等领域。

声压传感器的压敏单元一般为单一圆形周边固支薄膜。目前提高其灵敏度的主要方式为改变压敏材料或优化其结构尺寸。当前敏感材料多为硅膜，厚度为微米级，但该量级硅膜最大载荷值小，易发生断裂。石墨烯膜厚度可以达到纳米级，为硅膜的几千分之一，且抗过载能力超过同等厚度的硅膜，可将其用于压敏薄膜，但其声压灵敏度与薄膜材质的自身性能密切相关，而大面积、高质量、厚度均匀的石墨烯薄膜制备与基底悬浮转移方法尚不成熟，影响基于该材料的声压传感器性能。虽然已发表文献中石墨烯光纤声压传感器可获得与当前商用圆形电容器振膜传声器(～50mV/Pa)基本相当的电压灵敏度(C.Li,et al.,Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perotacoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm.Measurement Science andTechnology,2015,26:085101.)，但对于远距离微弱声信号探测尚存在差距。而人类具有更宽的动态可听声压范围(0-140dB，其中参考压强为20μPa)，这与人耳独特的生理结构密切相关。特别地，2018年韩国科学技术院的J.H.Han等人受耳蜗基底膜启发，基于压电PZT薄膜在100Hz-4kHz范围内制作了可多频调节的多通道压电式声传感器，获得了优于传统商用振膜传声器(G.R.A.S.电容参比传声器)的声压灵敏度，用于实现人机交互的语音识别(H.S.Lee,et al.,Flexible inorganic piezoelectric acoustic nanosensors forbiomimetic artificial hair cells.Adv.Funct.Mater.2014,24(44):6914-6921.，以及J.H.Han,et al.,Basilar membrane-inspired self-powered acoustic sensor enabledby highly sensitive multi tunable frequency band.Nano Energy,2018,53:198-205.)但其需要多通道采集与并行处理技术，所需的探头阵列结构繁多，且增加配套硬件成本与软件算法复杂性。因此，针对现有单一传感器探头，设计一种微型声压信号放大结构，以有效提升其声压灵敏度，对声压传感器的高灵敏度实现具有重要的实际意义和应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种声压信号放大结构，通过与声压传感器的配接，实现声压信号的放大增敏。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种声压信号放大结构，包括外壳、一级敏感膜、连杆、二级敏感膜、终端敏感膜，外壳为刚性结构，包含两个腔体结构；一级敏感膜固定于外壳上表面，形成周边固支的边界条件，作为声压信号的接收端；连杆连接一级敏感膜与二级敏感膜，使两者受到声压作用后共同运动；一级敏感膜与二级敏感膜以及外壳构成第一个密封腔；二级敏感膜固定在外壳内部，形成周边固支的边界条件，并与终端敏感膜以及外壳构成第二个密封腔；终端敏感膜固定于外壳下表面，形成周边固支的边界条件，作为声压放大信号的检测端。

其中，所述外壳、连杆为刚性材料，声压作用下的形变可忽略不计；连杆选用低密度材料，使其质量引起的薄膜预变形可忽略不计。

其中，所述一级敏感膜、二级敏感膜、终端敏感膜为周边固支薄膜结构，形状为规则形状，如圆形。

其中，所述连杆形状为上宽下窄结构，即其与一级敏感膜的接触面积，大于其与二级敏感膜的接触面积，如圆台结构。

其中，所述一级敏感膜、二级敏感膜、终端敏感膜三者面积依次减小，且选用对声压敏感的弹性薄膜。

其中，所述外壳与一级敏感膜、二级敏感膜、终端敏感膜可通过物理、化学吸附或粘结固定；连杆与一级敏感膜、二级敏感膜通过粘结固定。

其中，所述一级敏感膜与二级敏感膜以及外壳构成的第一个密封腔体积较大，二级敏感膜与终端敏感膜以及外壳构成的第二个密封腔体积较小；腔内可密封空气或其他低压惰性气体。

其中，该结构可通过3D打印一体成型、分离组件粘连，以及MEMS工艺实现。

其中，该结构中终端敏感膜的挠度变化可通过光纤或电学测量方式，对经声压放大后的信号实现检测。

本发明的原理及工作过程是：所述声压信号放大结构内部为密封状态。当外部声压作用到一级敏感膜，使一级敏感膜发生形变，而作用到一级敏感膜表面的声压通过连杆进行放大，并传递到二级敏感膜。由于二级敏感膜与终端敏感膜形成密封腔，则二级敏感膜受连杆作用而产生形变，进而引起密封腔压强变化，并作用到终端敏感膜。由此，终端敏感膜感受的声压为放大后的声压。该放大后的声压信号可通过光纤检测或电学检测方式，获取该终端敏感膜的中心挠度变化，从而实现待测声压的测量

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结构简单，制备容易，适用范围广，可与膜片式声压传感器相配接。

(2)本发明基于人耳听骨传声原理实现声压的传递与放大，对人耳听阈范围内的声信号，尤其是较低频率的声信号具有更高的响应。

(3)本发明对声传感器灵敏度的放大倍数与结构尺寸有关，通过改变各部件的结构尺寸，可实现不同的声压放大倍数。

(4)本发明对声传感器频率响应的改变与结构尺寸有关，对于结构特征频率处的声信号尤为敏感，且通过减小连杆质量、一级敏感膜和二级敏感膜的面积，以及增加一级敏感膜和二级敏感膜的厚度等方式，可改善高频响应。

(5)本发明所使用的材料可选范围广，工艺要求低，制作方法简单。外壳与连杆可为一般树脂、塑料、金属等材料，不限于单一材料；外壳可多部分拼接；而一级敏感膜、二级敏感膜可使用常见的弹性薄膜等。

(6)本发明含有两个密封腔，为压差产生提供条件，但密封腔气密性要求不高，一般制作过程可实现，且腔内压强无特殊要求。

(7)本发明中终端敏感膜的挠度变化可通过光纤或电学测量方式，对经声压放大后的信号实现检测，具有适用对象广的优点。

附图说明

图1为本发明中声压信号放大结构的结构示意图。

图2为本发明中声压信号放大结构的剖视图。

图3为本发明中连接有光纤插芯6的声压信号放大结构示意图。

图中附图标记含义为：1为外壳，2为一级敏感膜，3为连杆，4为二级敏感膜，5为终端敏感膜，6为光纤陶瓷插芯。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

如图1、图2所示，本实施例的一种声压信号放大结构，主要包括外壳1，一级敏感膜2，连杆3，二级敏感膜4和终端敏感膜5。实施例中以外壳1、连杆3采用光敏树脂；一级敏感膜2、二级敏感膜4采用TPU(热塑性聚氨酯)薄膜；终端敏感膜采用石墨烯薄膜。利用3D打印方式制作外壳1及连杆3；将一级敏感膜2、二级敏感膜4所用的TPU薄膜裁剪，覆盖外壳1的两个较大圆孔；用环氧树脂胶将二级敏感膜4粘贴于外壳1内部，粘贴处四周无空隙；用环氧树脂胶将连杆3的宽面一侧粘贴于一级敏感膜2中心；在外壳1的顶部、连杆3的窄面一侧均匀涂覆环氧树脂胶，将一级敏感膜2与连杆3整体粘于外壳1上，其中一级敏感膜2与外壳1粘贴处无空隙，连杆3的窄面一侧粘贴于二级敏感膜4中心；终端敏感膜5选用商用的石墨烯膜。由于打印的外壳1选用光敏树脂材料，两者无法直接粘连或吸附，为此，如图3所示，借助光纤陶瓷插芯6，将终端敏感膜5吸附在光纤陶瓷插芯6表面；再将光纤陶瓷插芯6用环氧树脂胶粘贴于外壳1底部，粘贴处无空隙，此时光纤陶瓷插芯6也属于外壳1的一部分。一级敏感膜2感受声压后，带动二级敏感膜4振动，使第二个密封腔压强改变，变化的压强作用到终端敏感膜5上，使其产生挠度变化。该薄膜挠度变化通过光纤干涉方式检测，由此可实现待测声压的测量。

本实施例给出了一组声压信号放大结构的敏感尺寸：

外壳1和连杆2材料相同，均为光敏树脂；外壳1的外径为15mm，厚度为6mm，内径大小分别与一级敏感膜2、二级敏感膜4、终端敏感膜5的直径相同。一级敏感膜2的直径为10mm，二级敏感膜4的直径为4mm，终端敏感膜的直径为250μm。连杆2为圆台形，顶面直径为5mm，底面直径为1mm，高度为5mm。

一级敏感膜2、二级敏感膜4的材料相同，均采用TPU薄膜，厚度均为15μm。

终端敏感膜5采用10层石墨烯薄膜，其厚度约为3.35nm。

二级敏感膜4、终端敏感膜5与外壳1形成的第二个密封腔为圆柱形空腔，直径为4mm，高度为0.5mm。

本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种声压信号放大结构，其特征在于：包括外壳(1)、一级敏感膜(2)、连杆(3)、二级敏感膜(4)、终端敏感膜(5)，外壳(1)为刚性结构，包含两个腔体结构；一级敏感膜(2)固定于外壳(1)上表面，形成周边固支的边界条件，作为声压信号的接收端；连杆(3)连接一级敏感膜(2)与二级敏感膜(4)，使两者受到声压作用后共同运动；一级敏感膜(2)与二级敏感膜(4)以及外壳构成第一个密封腔；二级敏感膜(4)固定在外壳(1)内部，形成周边固支的边界条件，并与终端敏感膜(5)以及外壳(1)构成第二个密封腔；终端敏感膜(5)固定于外壳(1)下表面，形成周边固支的边界条件，作为声压放大信号的检测端；一级敏感膜(2)、二级敏感膜(4)和终端敏感膜(5)的横截面积依次减小；连杆(3)形状为上宽下窄结构，选圆台结构，即，该连杆(3)与一级敏感膜(2)的接触面积大于其与二级敏感膜(4)的接触面积。

2.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：所述外壳(1)、连杆(3)为刚性材料，声压作用下的形变可忽略不计；连接一级敏感膜(2)与二级敏感膜(4)的连杆(3)选用低密度材料，使其质量引起的薄膜预变形可忽略不计。

3.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：一级敏感膜(2)、二级敏感膜(4)、终端敏感膜(5)为周边固支薄膜结构，形状为规则形状。

4.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：一级敏感膜(2)、二级敏感膜(4)、终端敏感膜(5)选用对声压敏感的硅/二氧化硅、聚合物、二维敏感材料中的一种材料制作弹性薄膜。

5.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：外壳(1)与一级敏感膜(2)、二级敏感膜(4)、终端敏感膜(5)可通过物理、化学吸附或粘结固定；连杆(3)与一级敏感膜(2)、二级敏感膜(4)通过粘结固定。

6.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：一级敏感膜(2)与二级敏感膜(4)以及外壳构成的第一个密封腔体积较大；二级敏感膜(4)与终端敏感膜(5)以及外壳(1)构成的第二个密封腔体积较小；腔内密封的气体为空气或惰性气体。

7.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：该结构可通过3D打印一体成型、分离组件粘连，以及MEMS工艺实现。

8.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：该结构中终端敏感膜(5)的挠度变化可通过光纤或电学测量方式，对经声压放大后的信号实现检测。

9.如权利要求1所述的一种声压信号放大结构，其特征在于：该结构可借助密封连接头与声压传感器探头进行配接，实现声压信号的放大增敏。

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