CN112367598A - 一种高声压级低失真度传声器及其振膜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高声压级低失真度传声器及其振膜的制造方法,该传感器包括振膜,所述振膜由上至下依次包括同心同径的上膜环、膜片和下膜环;所述上膜环、所述膜片和所述下膜环通过激光环形焊接在一起。该传声器的最大声压级大于180dB,同时失真度不高于1%,满足了对高声压级声信号的测量。该制造方法可实现对厚度30um的316L不锈钢膜片的加工,可以满足高声压级低失真度传声器的振膜的加工需求。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,特别涉及一种高声压级低失真度传声器及其振膜的制造方法。
背景技术
随着近年来航空、航天领域的发展,对大推力发动机噪声参数的测量需求逐渐增加,针对高声压级声传感器的测量要求也日益提高。高声压级低失真度声传感器用于超高声压级噪声信号的测量与校准领域,现有的高声压级声传感器多为驻极体式电容传声器,是将声信号转换为电信号的传感器。声-电转换结构采用金属振膜和特种材料,并进行特殊的稳定性处理,但在测量声压较高时振膜形变过大引起输出信号失真,影响高声压级声信号采集的准确性。例如杭州兆华电子、航天科技704研究所和北京声科测有限公司均研制出了1/4英寸高声压级传声器,其中杭州兆华电子研制的CRY342型高声压级驻极体传声器声压测量范围30~170dB;北京声科测公司MP41型传声器声压测量范围38~172dB;航天科技704研究所研制的传声器声压测量范围135~170dB。这三款测量传声器测试的最高声压级均低于180dB,且失真度小于3%。
传统的1/4英寸高声压级传声器的振膜材料通常采用纯镍或是钛合金膜片,膜片厚度范围在3~8um之间。在测量的声压较高时,振膜受强声波作用导致膜片机械损坏或是膜片位移振幅过大引起输出信号的非线性失真,无法满足高声压级噪声的测量与校准。传统驻极体电容式传声器的振膜形成结构采用内外环绷紧金属膜片的方式,其工艺实现更多适用于3~8um的较薄金属膜片。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述不足,提供一种高声压级低失真度传声器及其振膜的制造方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种高声压级低失真度传声器,包括振膜,所述振膜由上至下依次包括同心同径的上膜环、膜片和下膜环,所述膜片为316L不锈钢材料;所述上膜环、所述膜片和所述下膜环通过激光环形焊接在一起。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器,所述膜片的厚度为30um,直径为1/4英寸。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器,该传声器还包括保护栅与极头外壳,所述保护栅与所述极头外壳扣合形成容纳所述振膜的容纳腔。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器,所述保护栅与所述极头外壳为镍合金材料。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器,该传声器还包括保护栅、极头外壳、后极板、绝缘片、触头和锁紧环;所述保护栅与所述极头外壳扣合形成容纳腔,所述绝缘片固定支撑所述后极板至所述振膜下方,并将所述振膜和所述后极板隔离至所述容纳腔内;所述锁紧环固定支撑所述绝缘片,所述触头连接所述后极板。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器,所述后极板可沿轴线方向微移动。
一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,该方法包括如下步骤:
(1)将上膜环放置于下表面开槽的上工装内,将下膜环放置于上表面开槽的下工装内;
(2)将膜片放置于所述上膜环和所述下膜环之间固定;
(3)采用激光环形焊接方式将所述上膜环、所述膜片和所述下膜环连接在一起,环形焊点内为有效振膜,环形焊点以外为无效振膜;
(4)采用酸腐蚀工艺去除所述无效振膜,即得到所述有效振膜。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,所述步骤(2)还包括,将螺丝穿过所述上工装和所述下工装上对应的限位孔固定,并确保所述上膜环、所述膜片和所述下膜环在同轴心位置。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,所述步骤(3)还包括,先在所述上膜环、所述膜片和所述下膜环之间均匀设置4个预固定焊接点。
进一步的,所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,所述步骤(4)还包括,拆除所述上工装和所述下工装。
本发明的优点与效果是:
1.本发明提供的一种高声压级低失真度传声器,其最大声压级大于180dB,同时失真度不高于1%,满足了对高声压级声信号的测量。
2.本发明提供的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,可实现对厚度30um的316L不锈钢膜片的加工,可以满足高声压级低失真度传声器的振膜的加工需求。
附图说明
图1示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的结构示意图;
图2示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法的步骤(2)示意图;
图3示出图2的拆分示意图;
图4示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法的步骤(3)示意图;
图5示出图4的俯视图;
图6示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法的步骤(4)示意图;
图7示出图6的俯视图。
附图标记说明:1-保护栅、2-振膜、3-后极板、4-绝缘片、5-触头、6-锁紧环、7-极头外壳;21-上工装、22-上膜环、23-膜片、24-下膜环、25-下工装、26-螺丝;27-有效振膜、28-无效振膜。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面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更加详细的描述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明:
在本发明的描述中,需要理解的是,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上;术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的结构示意图,该传感器包括保护栅1、振膜2、后极板3、绝缘片4、触头5、锁紧环6和极头外壳7。保护栅1与极头外壳7扣合,形成容纳其他结构件的容纳腔,其采用镍合金材料,不易形变且具有相同的热膨胀系数,保证了传声器整体的温度稳定性。后极板3为刚性电容后极板,其位于振膜2的正下方,与振膜2共同构成用于检测声压的头电容。绝缘片4固定支撑后极板3至振膜2下方,并将振膜2和后极板3隔离至容纳腔内形成密闭空气腔。后极板3可沿轴线方向移动,以便微调后极板3与振膜2之间的静态电容。极板3和触头5分别位于绝缘片4两侧,触头5连接后极板3,触头5作为后极板3的输出端,将所测得的信号接入后端信号检测电路中。锁紧环6将头电容各结构件的相对位置固定。
如图6所示,振膜2由上至下依次包括同心同径的上膜环、膜片和下膜环。上膜环、膜片和下膜环通过激光环形焊接在一起,保证了膜片的均匀成型。膜片为316L不锈钢材料,其厚度为30um,直径为1/4英寸,具有较高屈服强度,保证了振膜单元所能承受的最大允许张力。
图2示出本发明提供的高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法的步骤流程示意图。该制造方法包括如下步骤:
(1)如图2、3所示,将上膜环22放置于下表面开槽的上工装21内,将下膜环24放置于上表面开槽的下工装25内。具体的是,上工装21的开槽的内径匹配上膜环22的外径,上工装21的开槽深度略小于上膜环22的厚度。下工装25的开槽的内径匹配下膜环24的外径,下工装25的开槽深度略小于下膜环24的厚度。上工装21与下工装25为环形,且上工装21与下工装25的内径小于上膜环22和下膜环24的外径。上膜环22和下膜环24的内径小于膜片23的直径。
(2)如图2所示,将膜片23放置于上膜环22和下膜环24之间固定。将螺丝26穿过上工装21和下工装25上对应的限位孔固定,并确保上膜环22、膜片23和下膜环24在同轴心位置。具体的是,上工装21和下工装25上对应设置4个限位孔,其中下工装25的限位孔带有螺纹。
(3)将步骤(2)装配好的振膜竖直固定在激光焊接机正下方,调整激光焊点聚焦在上膜环中心位置,即图2中箭头所指位置为激光焊点。先在上膜环22、膜片23和下膜环24之间均匀设置4个预固定焊接点,起到预固定的作用,并且减小膜片与上、下膜环之间受到焊接外力产生形变的影响,达到膜片与上、下膜环均匀成型的效果。如图4、5所示,再采用激光环形焊接方式将上膜环、膜片和下膜环连接在一起,环形焊点内为有效振膜27,环形焊点以外为无效振膜28。
(4)拆除上工装和下工装。声波作用于无效振膜产生共振峰偏移的问题,如图6、7所示,采用酸腐蚀工艺去除无效振膜,即得到有效振膜。酸腐蚀工艺处理后的上膜环、膜片和下膜环的外径尺寸保持一致。
电容传声器的声-电转换结构是由周围张紧的圆形金属膜片和后极板组成。电容传声器的振膜在声波的作用下,膜片表面受到一均匀的简谐外力作用,膜片产生位移振幅,当强迫力频率满足ka≤0.5时,利用贝塞尔函数的性质,可得膜片平均位移的近似式:
式中,PA外界声压,a为膜片半径,T为膜片张力。当声压级较低时,振膜形变程度小,此时振膜张力可以认为近似不变;当声压级较高时,振膜形变程度增加,此时张力的变化不能忽略。由公式4-1可以看出,膜片的位移与外界的声压PA、膜片半径a的变化成正比,与膜片张力T的变化成反比。在设计高声压级传声器时需要考虑其输出信号的非线性失真,即减小膜片位移的振幅使其工作在线弹性范围内。
圆形金属膜片的基频f0的表达式:
式中,δ为膜片面密度。
当圆形金属膜片的基频f0=20000Hz,圆形金属膜片的半径a=3.17×10-3m,圆形金属膜片的材料为316L不锈钢,其密度ρ=7.98g/cm3,其厚度h=30um,根据式(4-2)计算出膜片的张力T=3.62×103N/m。当作用在圆形金属膜片上的声压PA=20000Pa(180dB)时,将相关数值代入式(4-1)中,计算得出圆形金属膜片的平均位移而电容传声器的后极板到膜片的距离为25um,其比膜片平均位移大5倍以上,满足圆形金属膜片在线弹性范围内工作的要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰,皆应认为落入了本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高声压级低失真度传声器,包括振膜,其特征在于,所述振膜由上至下依次包括同心同径的上膜环、膜片和下膜环,所述膜片为316L不锈钢材料;所述上膜环、所述膜片和所述下膜环通过激光环形焊接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种高声压级低失真度传声器,其特征在于,所述膜片的厚度为30um,直径为1/4英寸。
3.根据权利要求1或2所述的一种高声压级低失真度传声器,其特征在于,该传声器还包括保护栅与极头外壳,所述保护栅与所述极头外壳扣合形成容纳所述振膜的容纳腔。
4.根据权利要求3所述的一种高声压级低失真度传声器,其特征在于,所述保护栅与所述极头外壳为镍合金材料。
5.根据权利要求1或2所述的一种高声压级低失真度传声器,其特征在于,该传声器还包括保护栅、极头外壳、后极板、绝缘片、触头和锁紧环;所述保护栅与所述极头外壳扣合形成容纳腔,所述绝缘片固定支撑所述后极板至所述振膜下方,并将所述振膜和所述后极板隔离至所述容纳腔内;所述锁紧环固定支撑所述绝缘片,所述触头连接所述后极板。
6.根据权利要求5所述的一种高声压级低失真度传声器,其特征在于,所述后极板可沿轴线方向微移动。
7.根据权利要求1或2所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)将上膜环放置于下表面开槽的上工装内,将下膜环放置于上表面开槽的下工装内;
(2)将膜片放置于所述上膜环和所述下膜环之间固定;
(3)采用激光环形焊接方式将所述上膜环、所述膜片和所述下膜环连接在一起,环形焊点内为有效振膜,环形焊点以外为无效振膜;
(4)采用酸腐蚀工艺去除所述无效振膜,即得到所述有效振膜。
8.根据权利要求7所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,其特征在于,所述步骤(2)还包括,将螺丝穿过所述上工装和所述下工装上对应的限位孔固定,并确保所述上膜环、所述膜片和所述下膜环在同轴心位置。
9.根据权利要求7所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,其特征在于,所述步骤(3)还包括,先在所述上膜环、所述膜片和所述下膜环之间均匀设置4个预固定焊接点。
10.根据权利要求7所述的一种高声压级低失真度传声器的振膜的制造方法,其特征在于,所述步骤(4)还包括,拆除所述上工装和所述下工装。
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