CN110300362B - 驻极体骨导振动传声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驻极体骨导振动传声器，包括外壳和容置于外壳内的振动单元、空气介质垫、固定电极、导通环、绝缘环和PCBA，其中，所述振动单元包括绷膜环，张紧设置在所述绷膜环上的振动膜，以及设置在所述振动膜上的重力振动块；所述重力振动块为圆形或多边形的金属块，且所述重力振动块上设有用于减少声阻的泄露孔。本发明提供了一种能识别人体骨声振动的驻极体骨导振动传声器，其优点在于：可以利用现有驻极体传声器生产工艺制作，可以对环境噪声大幅衰减，可以制作成全封闭结构，提高传声器的防水等级，其泄露孔可以减少接收因气流引起的低频信号，减少低频敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及传感装置技术领域，具体涉及一种驻极体骨导振动传声器。
背景技术
目前，公知的驻极体传声器，通常是由外壳、PCBA(Printed Circuit Board +Assembly)、绝缘环、铜环、固定电极、FEP(Fluorinated ethylene propylene，氟乙烯丙烯共聚物)膜、空气介质垫片、膜片、防尘网等组成。其中膜片由绷膜环和振动膜组成，是传声器的振动单元。FEP膜为驻极体材料，附着在固定电极或者振动膜上，其上驻留有永久电荷。固定电极和振动膜构成电容。当声波信号传递到振动膜时，振动膜相应振动，振动间距发生变化，电容的电容量相应变化，从而输出与声音信号同步的电信号供后级放大处理等。
但是，很多声波噪声信号是驻极体传声器无法识别的，特别是在较高的环境噪声下，更是无法分清有用声信号传达的信息。另外，现有传声器对于防水处理，仅是采用密封处理，减少水压对内部的浸透，以保护内部元件及电位不受到损失，但是，在防水密封过程中对于声波信号推动的气流传递，呈现矛盾的现象，防水等级越高对于声信号损失越大。防水的同时也将声音信号隔离损失在接收单元之外，并易产生失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能识别人体骨声振动的驻极体骨导振动传声器。本发明的目的还在于方便地对环境噪声大幅衰减，解决现有传声器难以区分有用声信号源的不足。本发明的目的还在于提高传声器的防水等级。
为实现上述目的，本发明提供一种驻极体骨导振动传声器，包括外壳和容置于外壳内的振动单元、空气介质垫、固定电极、导通环、绝缘环和PCBA，其中，所述振动单元包括绷膜环，张紧设置在所述绷膜环上的振动膜，以及设置在所述振动膜上的重力振动块；所述重力振动块为圆形或多边形的金属块，且所述重力振动块上设有用于减少声阻的泄露孔。
一种实现方式中，还包括容置在外壳内，位于外壳底部和所述振动单元之间的金属垫环，所述绷膜环通过所述金属垫环与所述外壳电导通。可选的，所述金属垫环上设有用于减少声阻的泄露槽，该泄露槽是金属垫环的一处缺口。
一种实现方式中，所述外壳为全封闭式外壳，或者，所述外壳的底部开设有均压孔。所述均压孔在所述驻极体骨导振动传声器加工完成后被保留或封闭。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
(1)提供了一种能识别人体骨声振动的驻极体骨导振动传声器，且基于传统驻极体传声器改进而成，可以利用现有成熟驻极体传声器生产工艺制作，结构简单，无需增加大量成本，没有使用及安全风险。
(2)本发明的驻极体骨导振动传声器，主要利用声信号振动传递，弱化气流引起的感度输出，可以对环境噪声大幅衰减，解决现有传声器难以区分有用声信号源的不足。
(3)本发明的驻极体骨导振动传声器，不依赖气流声波信号，可以制作成全封闭结构，从而提高传声器的防水等级。
(4)本发明的驻极体骨导振动传声器，振动单元的重力振动块上设计有泄露孔，用于减少声阻，可以减少接收因气流引起的低频信号，减少低频敏感度。
(5)本发明的传声器，可用于通过后期开发的算法达到高精度的个人信息识别，作为生物识别技术的新生力量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例的驻极体骨导振动传声器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中振动单元的结构示意图；
图3是本发明一个实施例中金属垫环的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面通过具体实施例，进行详细的说明。
本发明实施例提供一种能识别人体骨声振动的驻极体骨导振动传声器(下文简称骨导传声器)。该骨导传声器是在传统的驻极体传声器基础上改进而成。主要改进之处在于振动单元，通过在振动单元中增设附着在振动膜上的重力振动块，使得振动单元能够检测/拾取振动信号，从而用作骨导振动传感装置。为提高骨导传声器的性能，还对其它方面做了一些相应改进。
本发明的技术构思主要在于：
(1)在振动膜上增加重力振动块，使振动单元能够拾取振动信号。并且，在重力振动块上开出起振动减阻作用的泄露孔(或称为减阻孔)，以及，在重力振动块与及绷膜环之间留出振动弹性空间；使重力振动块受到外力作用发生振动时，受到的阻力更小，从而减少时延以及失真。
(2)外壳底部增加带有泄漏槽的金属垫环，泄露槽可用来减少重力振动块的振动声阻，可用来平衡重力振动块正反两面因振动时造成的空气压力差。低频段大振幅运动时一部份声压可以通过泄露槽流通到重力振动块的反面形成压力相位差，从而减少对于近讲时声波压缩空气引起的共振。金属垫环还用来抬高重力振动块与外壳底部的距离，避免重力振动块振动时与外壳底部发生碰撞。
(3)外壳完全封闭或者设计均压孔，该均压孔应远小于传统传声器外壳上的声孔。通过设计均压孔，外壳密封处于孔导通状态，可以减少产品在加工过程中受热引起的内外部压力。外部声压也可以通过均压孔直接作用于重力振动块。外壳全封闭或者设计远小于声孔的均压孔，可以减少接收除振动之外的其它干扰信号。
请参考图1和图2，本发明实施例基于以上技术构思，提供一种驻极体骨导振动传声器。
如图1所示，该骨导传声器，包括外壳10和容置于外壳10内的振动单元、空气介质垫2、固定电极8、导通环12、绝缘环11和PCBA13。其中，固定电极8上可以选择设置有驻极体材料层例如FEP膜6，PCBA上可设置有阻抗变换IC(integrated circuit，集成电路)15和电容14。
如图2所示，所述振动单元包括绷膜环1，张紧设置在所述绷膜环1上的振动膜3，以及设置在所述振动膜3上的重力振动块4；所述重力振动块4为圆形或多边形的金属块，且所述重力振动块4上设有用于减少声阻的泄露孔5。其中，驻极体材料层例如FEP膜6也可以选择设置在振动膜3上而不设在固定电极8上。
如图1所示，本发明的骨导传声器，其外壳10和PCBA13围合成容纳空间，其振动单元、空气介质垫2、固定电极8、导通环12、绝缘环11均容置在该容纳单元内部。其中，振动单元将整个容纳空间分隔成两个声腔，即，外壳10底部和振动单元之间构成前声腔，振动单元和PCBA13之间构成后声腔，前声腔的体积远小于后声腔。
下面，对骨导传声器中各个部件的作用及特点说明如下：
绷膜环1，用于将振动膜3张紧，支撑重力振动块做同步往复运动。可采用金属材料制成。外形可以是圆形或多边形。
振动膜3，绷紧在振膜环1上，用于支撑重力振动块同步振动。
重力振动块4，附着在振动膜3的中央区域，用于接受外部振动能量引起共振做来复运动。重力振动块可以用密度大一些的金属材料制成，例如不锈钢，也可以用铜材或钢片等材料，优选不生锈易粘接的材料。可选的，所述重力振动块4的直径与所述绷膜环1的内径的比值在0.2到0.8之间，优选在0.5到0.8之间，以便在重力振动块4与及绷膜环1之间留出合适的振动弹性空间。可选的，所述重力振动块4与所述绷膜环1的厚度之比在0.3到0.6之间，以避免重力振动块4振动时与外壳10底部发生碰撞。
泄漏孔5，用于减少重力振动块4振动的声阻，减少因低频气流产生的推动，衰减低频敏感度。可选的，所述泄露孔5设置在所述重力振动块4的中心位置，且贯穿所述重力振动块4。可选的，所述泄露孔的孔径在0.02至0.3毫米之间，以起到较佳的减阻作用。
一些实施例中，所述振动膜3上对应于所述泄露孔5的位置可相应的开设有通孔。该通孔的直径可以与泄露孔5相同或者更小。该通孔用于贯穿前声腔和后声腔，以进一步减少重力振动块4振动的声阻。
一些实施例中，所述外壳10为全封闭式外壳，不开设任何开孔。加工完成后的骨导传声器，其外壳10和PCBA13构成全密封结构，空气气流不能进入。此时，该骨导传声器仅用于拾取振动信号。
另一些实施例中，所述外壳10的底部开设有均压孔16。该均压孔16的直径可以在0.2毫米左右，例如在0.05至0.3毫米之间，远小于传统传声器外壳上的声孔。该均压孔16的数量可以是一个或者也可以是多个。该均压孔16用于减少/平衡产品在加工过程中受热引起的内外部压力。该均压孔16在所述骨导传声器加工完成后，可以选择被保留或封闭。如果被封闭，则骨导传声器成为全密封结构，仅用于拾取振动信号。如果被保留，则该均压孔16也可以起到部分声孔的作用，允许外界声音振动导致的空气气流进入，推动振动单元振动。但低频的噪音信号，因振动能量较低，难以推动附着有重力振动块的振动膜，因此，可以避免拾取低频噪音信号。
一些实施例中，所述骨导传声器，还包括容置在外壳10内，位于外壳10底部和所述振动单元之间的金属垫环17，所述绷膜环1通过所述金属垫环17与所述外壳10电导通。该金属垫环17可用来抬高重力振动块4与外壳10底部的距离，避免重力振动块4振动时与外壳10底部发生碰撞。
进一步的，所述金属垫环17上设有用于减少声阻的泄露槽9，该泄露槽9是金属垫环的一处缺口。如图3所示，是具有泄露槽9的金属垫环17的结构示意图。该泄露槽9可以起到与泄露孔5类似的作用，可以减少重力振动块4的振动声阻。泄露槽9可以连通前声腔和后声腔，用来平衡重力振动块4正反两面因振动时造成的空气压力差。低频段大振幅运动时一部份声压可以通过泄露槽9流通到重力振动块4的反面形成压力相位差，从而减少近讲时声波压缩空气引起的共振。
下面对本发明的驻极体骨导振动传感器的工作原理进行说明：
该骨导传声器的整个振动单元被封装在密闭的外壳10内，与外部的空气保持隔离，唯一的均压孔16用来平衡加工过程中的受热等引起的内外压力差，加工完成可以选择完全密封，例如在过回流焊工艺过程中被密封。密封后，外部的风动气流以及声波压缩空气无法直接作用于内部的振动膜3、重力振动块4，因而对于空气传递的信号表现较弱。
当骨导传声器接收到外部提供的振动信号，使得振动信号传递到内部重力振动块4，因重力振动块4是附着于振动膜3上，振动膜3振动阻尼较小，会呈现与外部振动频率相一致的振动能量使重力振动块4做来复运动。
振动过程中，泄漏孔5、泄漏槽9作为提供低频大振幅压力平衡用的泄漏通道，减少前声腔内因气流引起的对振动膜的压力，可以降低噪声以及平衡振动膜块正反面的压力差。
重力振动块4的来复运动，因重力振动块4的钢性，使金属振动块4与固定电极8之间的间距随外部推动能量的振动而同步变化。固定电极8与金属振动块4形成平板电容，振动时其间距产生变化，使得平板电容的电容量变化，从而在固定电极上得到频率相同的一个交变信号。通过导通环12将交变信号传导到PCBA13，引起阻抗变换IC15工作，同时电容14可以对无用高频干扰信号起到旁路作用，减少射频干扰，进而输出电信号供后级处理。这就实现了声电能量转换过程，实现了骨导振动信号转换为电信号。
值得说明的是，为了提出较佳的振动单元结构，申请人还设计了多种其它结构进行对比验证。
一个对比实施例中，振动单元包括绷膜环，张紧设置在所述绷膜环上的振动膜，设置在所述振动膜上的重力振动块，以及固定在所述振动膜上、并将所述重力振动块环绕在内的固定环，且所述重力振动块上不开设泄露孔。
该对比实施例也能够拾取振动信号，但是经过验证分析，其存在如下缺陷：因在振动膜设置固定环，会产生声学干涉，声学干涉导致振动信号转换为电信号会出现失真。这是因为振动时的能量是很低的，哪怕是接触式的干涉都会引起较大的破膜噪声。如果加大固定环与振动块的间距，固定的意义就不存在了。
而本发明实施例的振动单元中，不设固定环，且重力振动块中间设置减阻孔，以便减少振动时的声阻。通过设计减阻孔，可以减少声阻，减少失真。如果没有减阻孔，在振动幅度较大时，前声腔内的阻变过大，容易产生失真。因产品接受的是振动信号，减阻孔的设置可以对产品的低频延伸表现有帮助。对于外部的气流引起的推动，由于有减阻孔，敏度度很低，可以起到降低风动噪声的目的。
如上所述，本发明实施例提供了一种驻极体骨导振动传声器。其振动单元包括圆形或多边形的绷膜环，绷膜环张紧设置振动膜，振动膜上附着圆形或多边形的重力振动块，且重力振动块上设有用于减少声阻的泄露孔。利用附着的重力振动块实现了对骨导振动信号的拾取。利用重力振动块上开设的泄露孔，可以减少声阻，减少接收因气流引起的低频信号。利用在金属垫环上开设的泄露槽，可进一步减少声阻。整个骨导传声器外壳上无孔或设计微小的均压孔，可避免或减弱直接作用于振动单元的声压信号(气流信号)。
其关键技术点包括：1.加强声信号振动传递，弱化气流引起的感度输出。2.通过泄露孔、泄漏槽形成反面压差减少低频敏感度。3.接收振动信号的振动单元可全密封防水，无需留声源气流通道(声孔)。
综上，本发明实现了以下技术效果：
(1)提供了一种能识别人体骨声振动的驻极体骨导振动传声器，基于传统驻极体传声器改进而成，可以利用现有成熟驻极体传声器生产工艺制作，结构简单，无需增加大量成本，没有使用及安全风险。
(2)本发明的传声器，主要利用声信号振动传递，弱化气流引起的感度输出，可以对环境噪声大幅衰减，解决现有传声器难以区分有用声信号源的不足。
(3)本发明的传声器，不依赖气流声波信号，可以制作成全封闭结构，从而提高传声器的防水等级。
(4)本发明的传声器，其振动单元的重力振动块上设计有泄露孔(可选的，底部金属垫环上还设计有泄露槽)，用于减少声阻，可以减少接收因气流引起的低频信号，减少低频敏感度。
(5)本发明的传声器，可用于通过后期开发的算法达到高精度的个人信息识别，作为生物识别技术的新生力量。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种驻极体骨导振动传声器，包括外壳和容置于外壳内的振动单元、空气介质垫、固定电极、导通环、绝缘环和PCBA，其特征在于：
所述振动单元包括绷膜环，张紧设置在所述绷膜环上的振动膜，以及设置在所述振动膜上的重力振动块；所述重力振动块为圆形或多边形的金属块，所述重力振动块上设有用于减少声阻的泄露孔；
所述外壳的底部开设有均压孔，所述均压孔在所述驻极体骨导振动传声器加工完成后被封闭；
所述泄露孔设置在所述重力振动块中心位置，且贯穿所述重力振动块；
所述泄露孔的孔径为0.02毫米；
所述振动膜上对应于所述泄露孔的位置相应的开设有通孔，所述通孔的直径与所述泄露孔相同；
所述重力振动块的直径与所述绷膜环的内径的比值在0.5到0.8之间；
所述重力振动块与所述绷膜环的厚度之比在0.3到0.6之间；
所述驻极体骨导振动传声器还包括容置在外壳内，位于外壳底部和所述振动单元之间的金属垫环，所述绷膜环通过所述金属垫环与所述外壳电导通；
所述金属垫环上设有用于减少声阻的泄露槽，该泄露槽是金属垫环的一处缺口；
所述均压孔的直径在0.05至0.3毫米之间；
所述外壳底部和所述振动单元之间构成前声腔，所述振动单元和所述PCBA之间构成后声腔，所述前声腔的体积小于所述后声腔；
所述重力振动块为不锈钢或铜。
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