CN115031831A

CN115031831A - 声共振开关装置

Info

Publication number: CN115031831A
Application number: CN202210701693.1A
Authority: CN
Inventors: 赵嘉昊; 杨登
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-06-20
Also published as: CN115031831B

Abstract

本发明提供了一种声共振开关装置，该声共振开关装置包括共振腔组件、悬臂梁、开关触点和下侧静电电极。共振腔组件设有共振腔和通联孔，通联孔位于共振腔组件的顶部且与共振腔连通；悬臂梁作为上侧静电电极，设置在共振腔组件的顶部处且能绕轴转动，悬臂梁包括位于轴的两侧的第一悬臂部和第二悬臂部，第一悬臂部与通联孔正对；开关触点包括上触点和两个下触点，上触点绝缘地设置在第二悬臂部上；两个下触点设置在共振腔组件的顶部上且间隔开地位于上触点的下方；下侧静电电极设置在共振腔组件的顶部上且位于第二悬臂部的下方。本发明不需要消耗电源能量也可以实时、连续监测目标频率的声音信号，极大地延长了终端声音监测设备的续航时间。

Description

声共振开关装置

技术领域

本发明属于电工电子技术和物联网应用领域，尤其是涉及一种声共振开关装置。

背景技术

在声音监测应用中，终端电子设备需长时间、连续监测声音信号，从而识别、捕获目标声音信号。一种手段是利用麦克风连续采集声音信号，并由后端数据处理芯片进行声音信号的分析识别，在这种监测方式中，麦克风会一直消耗能量，用于声音信号的采集与分析处理。在目标声音信号出现频率极低的应用场景中，采用常规的麦克风来连续采集声音信号，会使终端电子设备的能源大量损耗于捕捉与分析非目标声音信号，降低了终端装置的续航时间，影响了声音监测网络的部署。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种声共振开关装置，不需要消耗电源能量也可以实时、连续监测目标频率的声音信号，可以极大地延长终端声音监测设备的续航时间。

根据本发明实施例的声共振开关装置，包括：

共振腔组件，所述共振腔组件设有共振腔和通联孔，所述通联孔位于所述共振腔组件的顶部且与所述共振腔连通；

悬臂梁，所述悬臂梁作为上侧静电电极，设置在所述共振腔组件的顶部处且能绕轴转动，所述悬臂梁包括位于所述轴的两侧的第一悬臂部和第二悬臂部，所述第一悬臂部与所述通联孔正对；

开关触点，所述开关触点包括上触点和两个下触点，所述上触点绝缘地设置在所述第二悬臂部上；两个所述下触点设置在所述共振腔组件的顶部上且间隔开地位于所述上触点的下方；

下侧静电电极，所述下侧静电电极设置在所述共振腔组件的顶部上且位于所述第二悬臂部的下方。

根据本发明实施例的声共振开关装置，通过设置共振腔和通联孔，使得外部声音可以通过通联孔进入到共振腔中，从通联孔进入共振腔中的声音，经共振腔共振放大，作用于第一悬臂部，使悬臂梁绕轴转动，当目标声音出现时，悬臂梁的转动幅度会达到最大，然后在下侧静电电极与第二悬臂部之间的静电力的作用下，悬臂梁会失稳直接转动至上触点和两个下触点接触导通并保持，应用在声音监测系统中时，可以使得声音监测系统的回路导通，声音监测系统中射频信号发射装置发射射频信号，从而实现对目标声音的检测。当目标频率的声音信号未出现时，上触点与两个下触点处于断开状态，整个声共振开关装置处于不通电状态，不会消耗电源的能量。综上，本发明的声共振开关装置可以在零功耗的状态下，实现对特定频率的目标声音实时、长期、连续地监测，只有在检测到目标声音时，才需要消耗电源的能量，极大地降低了声音监测系统的功耗，延长了声音监测系统的续航时间，有利于降低声音监测网络的部署成本。

在一些实施例中，所述第二悬臂部设有镂空部。

在一些实施例中，所述下侧静电电极为单电极或分布式多电极。

在一些实施例中，所述上触点在所述第二悬臂部上的位置远离所述轴。

在一些实施例中，所述声共振开关装置基于共振原理实现声音信号的频率选择，以感知特定频率的目标声音信号。

在一些实施例中，所述声共振开关装置通过改变所述悬臂梁的结构、改变所述悬臂梁的尺寸，或/和改变共振腔的大小，来调节共振频率的大小。

在一些实施例中，所述声共振开关装置通过改变所述悬臂梁与所述下侧静电电极之间的静电电压大小，和/或改变所述分布式多电极的接入状态，来调节所述声共振开关装置的声压阈值。

在一些实施例中，所述共振腔组件包括共振腔主体和嵌件，所述共振腔主体限定出所述共振腔，所述嵌件嵌设在所述共振腔主体的顶部，所述嵌件上设有所述通联孔；两个所述下触点及所述下侧静电电极设置在所述嵌件的上表面上，所述悬臂梁支撑于所述嵌件的上表面上。

在一些实施例中，所述悬臂梁通过悬臂梁支撑件设置在所述嵌件的上表面上，所述悬臂梁通过所述轴与所述悬臂梁支撑件相连。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的声共振开关装置对称剖开后的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的声共振开关装置的剖视图。

图3为本发明实施例的声音监测系统的结构示意图。

图4为本发明实施例中嵌件的俯视图。

附图标记：

声共振开关装置1000

共振腔组件1

共振腔101 通联孔102 共振腔主体103 嵌件104

悬臂梁2

轴201 第一悬臂部202 第二悬臂部203 镂空部2031 悬臂梁支撑件204

开关触点3

上触点301 下触点302

下侧静电电极4 分布式多电极401

声音监测系统2000 电源A 射频信号发射装置B

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图4来描述本发明第一方面实施例的声共振开关装置1000。

如图1至图4所示，根据本发明第一方面实施例的声共振开关装置1000，包括共振腔组件1、悬臂梁2、开关触点3和下侧静电电极4。

共振腔组件1设有共振腔101和通联孔102，通联孔102位于共振腔组件1的顶部且与共振腔101连通。这样，通联孔102可以使得外部声音进入共振腔101中。共振腔101可以增大声音的声压能量。

悬臂梁2作为上侧静电电极，在使用过程中接地，悬臂梁2的材质可以为低阻硅。如图1和图2所示，悬臂梁2设置在共振腔组件1的顶部处且能绕轴201转动，悬臂梁2包括位于轴201的两侧的第一悬臂部202和第二悬臂部203，第一悬臂部202与通联孔102正对，这样，经过共振腔101放大的声音的声压能量可以作用于第一悬臂部202的下表面，使得悬臂梁2可以绕轴201转动。

开关触点3包括上触点301和两个下触点302，上触点301绝缘地设置在第二悬臂部203上；如图4所示，两个下触点302设置在共振腔组件1的顶部上且间隔开地位于上触点301的下方。当悬臂梁2在经过共振腔101放大的目标声音的声压能量驱动下发生绕轴201振动时，由于上触点301设置在第二悬臂部203上，上触点301可以跟随第二悬臂部203上下同步运动。在悬臂梁2发生振动的过程中，上触点301可以与两个下触点302接触而使得开关触点3导通，或者上触点301有向两个下触点302的方向靠近的位移但并没有与上触点301接触。

下侧静电电极4设置在共振腔组件1的顶部上且位于第二悬臂部203的下方。下侧静电电极4可以接入电压，使得下侧静电电极4带上静电，下侧静电电极4与接地的第二悬臂部203之间产生静电力，静电力的存在会使第二悬臂部203朝下侧静电电极4运动，从而使悬臂梁2发生转动，当下侧静电电极4上所加的电压大于临界值电压(下拉电压)时，第二悬臂部203会直接朝下运动直至上触点301和两个下触点302接触导通并保持，此时是不能实现对特定频率的声音进行监测的。当下侧静电电极4上所加的电压小于临界值电压时，随着所加的电压逐渐增大，悬臂梁2初始的相对于水平位置的转动幅度也会增大，但第二悬臂部203上的上触点301不会和两个下触点302接触导通，此时可以应用于对目标声音进行监测。本发明的声共振开关装置1000在对目标频率的声音进行监测的过程中，由于非目标声音不会与声共振开关装置1000发生共振，因此非目标声音的声压作用在悬臂梁2上时，仅会使悬臂梁2进一步发生微弱的转动，悬臂梁2上的上触点301不会和两个下触点302接触；当目标声音的声压作用于声共振开关装置1000发生共振时，在目标声音的声压的作用下，悬臂梁2的旋转振动幅度达到最大，悬臂梁2与下侧静电电极4之间间隙大幅减小，静电力增大，导致悬臂梁2会失稳直接转动至上触点301和两个下触点302接触导通并保持。

如图3所示，本发明一方面实施例的声共振开关装置1000应用在声音监测系统2000中时，声音监测系统2000的电源A的正极可以连接到两个下触点302的一个下触点302，电源A的负极可以连接到两个下触点302的另一个下触点302，在电源A的负极与两个下触点302的另一个下触点302之间设置射频信号发射装置B。下侧静电电极4与电源A的正极连接，悬臂梁2接地，使得下侧静电电极4与第二悬臂部203之间产生静电力。当目标频率的声音未出现时，上触点301与两个下触点302保持断开状态，即两个下触点302处于断开状态，此时射频信号发射装置B不通电，不向外界发射射频信号，本发明的声共振开关装置1000也不消耗电能；当目标声音出现使悬臂梁2绕轴201大幅转动，在下侧静电电极4与第二悬臂部203之间的静电力的作用下，悬臂梁2会失稳直接转动至上触点301和两个下触点302接触导通并保持，使得两个下触点302通过上触点301实现电连接，两个下触点302处于导通保持状态，射频信号发射装置B通电，可以向外界发射射频信号，提示已检测到目标频率的声音，从而实现对目标频率的声音信号的检测，由此采用本发明的声共振开关装置1000的声音监测系统2000，实现了无需消耗电源A能量也可以实时、连续地对目标声音进行监测，具有零功耗休眠和唤醒的功能。

根据本发明第一方面实施例的声共振开关装置1000，通过设置共振腔101和通联孔102，使得外部声音可以通过通联孔102进入到共振腔101中，从通联孔102进入共振腔101中的声音，经共振腔101共振放大，作用于第一悬臂部202，使悬臂梁2绕轴201转动，当目标声音出现时，悬臂梁2的转动幅度会达到最大，然后在下侧静电电极4与第二悬臂部203之间的静电力的作用下，悬臂梁2会失稳直接转动至上触点301和两个下触点302接触导通并保持，应用在声音监测系统2000中时，可以使得声音监测系统2000的回路导通，声音监测系统2000中射频信号发射装置B发射射频信号，从而实现对目标声音的检测。当目标频率的声音信号未出现时，上触点301与两个下触点302处于断开状态，整个声共振开关装置1000处于不通电状态，不会消耗电源A的能量。综上，本发明的声共振开关装置1000可以在零功耗的状态下，实现对特定频率的目标声音实时、长期、连续地监测，只有在检测到目标声音时，才需要消耗电源A的能量，极大地降低了声音监测系统2000的功耗，延长了声音监测系统2000的续航时间，有利于降低声音监测网络的部署成本。

在一些实施例中，如图1和图2所示，第二悬臂部203设有镂空部2031，镂空部2031的设置可以降低声压在第二悬臂部203上的作用面，也降低悬臂梁2在振动时的空气阻尼，使得悬臂梁2更容易发生振动，以提高声共振开关装置1000的灵敏度。可选地，镂空部2031可以为格栅状镂空部。

在一些实施例中，下侧静电电极4为单电极(图中未示出)或分布式多电极401(如图2和图4所示)，可以根据实际需要进行选择。其中，分布式多电极401是指间隔开分布的多个电极的组合。

在一些实施例中，如图2所示，上触点301在第二悬臂部203上的位置远离轴201，以使悬臂梁2在振动时，上触点301可以较容易地与两个下触点302接触，结构合理。

在一些实施例中，如图2所示，上触点301通过绝缘件固定在第二悬臂部203的下表面上。即上触点301不会与第二悬臂部203电导通，这样，当上触点301与两个下触点302接触而使得开关触点3导通时，不会影响下侧静电电极4与第二悬臂部203之间的静电力。

在一些实施例中，声共振开关装置1000基于共振原理实现声音信号的频率选择，以感知特定频率的目标声音信号，实现在不通电的情况对特定频率声音信号的监测，应用于声音监测设备中时，可以极大地延长声音监测设备的续航时间。

在一些实施例中，声共振开关装置1000通过改变悬臂梁2的结构、改变悬臂梁2的尺寸，或/和改变共振腔101的大小，来调节共振频率的大小，即改变本发明可以监测到的声音频率的大小，使本发明声共振开关装置1000可以监测到频率不同的目标声音，适用范围广。可以理解的是，本发明可以通过改变悬臂梁2的结构、悬臂梁2的尺寸、共振腔101的大小中的一种或几种来实现对本发明声共振开关装置1000可以识别到的目标声音信号的频率的调节。例如，通过增大悬臂梁2的尺寸，可以降低本发明可以识别到的目标声音的频率；通过增大共振腔101的大小，可以降低本发明可以识别到的目标声音的频率。

在一些实施例中，声共振开关装置1000通过改变悬臂梁2与下侧静电电极4之间的静电电压大小，和/或改变分布式多电极401的接入状态，来调节声共振开关装置1000的声压阈值，从而使本发明的声共振开关装置1000的声音监测灵敏度可调节。可以理解的是，下侧静电电极4为单电极或分布式多电极401时，均可以采用改变悬臂梁2与下侧静电电极4之间的静电电压大小，即改变下侧静电电极4上的电压来实现对声压阈值进行调节；当下侧静电电极4为分布式多电极401时，还可以改变分布式多电极401的接入状态来实现对声压阈值的调节；从而实现本发明的声共振开关装置1000的监测灵敏度的调节。其中，声压阈值是指本发明的声共振开关装置1000可以监测到的目标声音的最小声音强度，目标声音的声音强度大于声压阈值时，目标声音的声压可以使悬臂梁2进一步的转动幅度大于临界值，以使悬臂梁2发生失稳直接转动至上触点301和两个下触点302接触导通并保持。增大悬臂梁2与下侧静电电极4之间的静电电压大小，可以减小声压阈值；改变分布式多电极401的接入状态，例如如图4所示，分布式多电极401可以为沿垂直于轴201的轴线方向上分布的多个电极，这里的接入状态包括分布式多电极401中的电极接入数量和接入的电极所在的位置，分布式多电极401中的电极接入数量越多，下侧静电电极4与第二悬臂部203之间的静电力越大，声压阈值越小；接入电极所在的位置距离悬臂梁2的旋转轴201的位置越远，声压阈值越小。具体地，当分布式多电极401包括三个电极时，分布式多电极401的接入方式为8种。

在一些实施例中，如图1和图4所示，共振腔组件1包括共振腔主体103和嵌件104，共振腔主体103限定出共振腔101，嵌件104嵌设在共振腔主体103的顶部，嵌件104上设有通联孔102；两个下触点302及下侧静电电极4设置在嵌件104的上表面上，悬臂梁2支撑于嵌件104的上表面上，结构合理，安装加工方便。

在一些实施例中，如图1所示，悬臂梁2通过悬臂梁支撑件204设置在嵌件104的上表面上，悬臂梁2通过轴201与悬臂梁支撑件204相连，结构合理，安装加工方便。

本发明还提出了一种声音监测系统2000。

根据本发明第二方面实施例的声音监测系统2000，包括根据本发明第一方面任意一个实施例的声共振开关装置1000。

本发明第二方面实施例的声音监测系统2000可以在零功耗的状态下，实现对特定目标频率的声音进行实时、长期、连续地监测，只有在检测到目标频率的声音时，才需要消耗电源A的能量，极大地降低了声音监测系统2000的功耗，延长了声音监测系统2000的续航时间，有利于降低声音监测网络的部署成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种声共振开关装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的声共振开关装置，其特征在于，所述第二悬臂部设有镂空部。

3.根据权利要求1所述的声共振开关装置，其特征在于，所述下侧静电电极为单电极或分布式多电极。

4.根据权利要求1所述的声共振开关装置，其特征在于，所述上触点在所述第二悬臂部上的位置远离所述轴。

5.根据权利要求1所述的声共振开关装置，其特征在于，所述声共振开关装置基于共振原理实现声音信号的频率选择，以感知特定频率的目标声音信号。

6.根据权利要求2所述的声共振开关装置，其特征在于，所述声共振开关装置通过改变所述悬臂梁的结构、改变所述悬臂梁的尺寸，或/和改变共振腔的大小，来调节共振频率的大小。

7.根据权利要求3所述的声共振开关装置，其特征在于，所述声共振开关装置通过改变所述悬臂梁与所述下侧静电电极之间的静电电压大小，和/或改变所述分布式多电极的接入状态，来调节所述声共振开关装置的声压阈值。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的声共振开关装置，其特征在于，所述共振腔组件包括共振腔主体和嵌件，所述共振腔主体限定出所述共振腔，所述嵌件嵌设在所述共振腔主体的顶部，所述嵌件上设有所述通联孔；两个所述下触点及所述下侧静电电极设置在所述嵌件的上表面上，所述悬臂梁支撑于所述嵌件的上表面上。

9.根据权利要求8所述的声共振开关装置，其特征在于，所述悬臂梁通过悬臂梁支撑件设置在所述嵌件的上表面上，所述悬臂梁通过所述轴与所述悬臂梁支撑件相连。