CN214756915U - 电容传声器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电容传声器，其包括：管状的主体和圆形的膜片部，其中主体的一端与膜片部气密地耦合，由此限定管状主体内部密封的第一空间，在第一空间内设置有靠近膜片部并与其平行布置的后极板；具有顶壁和侧壁的保护罩，与主体靠近膜片部的一端密封耦合，并限定一个容纳空间，顶壁具有至少一个通孔；以及其中，主体在靠近膜片部的侧壁上具有贯穿侧壁的均压孔，均压孔连通第一空间和容纳空间。本实用新型的电容传声器适用于腔体空间内并能够更准确的测量高声压声场。

Description

电容传声器

技术领域

本实用新型涉及声学测试，具体涉及一种可对腔体空间内的高声压进行测试的电容传声器。

背景技术

电容传声器是一种常见的声电换能器，常用于各类声学测量系统中。电容传声器的工作原理是，布置一个空腔，其由膜片分隔为两个不连通的空间，一个空间用于接收外界声场，另一空间中具有靠近该膜片平行布置的电极板(也称之为后极板)。带有极化电荷的该膜片和该后极板之间的极小空气隙形成一个平板电容器，当外界声场作用在膜片上时，改变了该平板电容器的膜片和后极板之间的距离，使其电容量发生变化，从而产生交变电压，形成实时变化的电信号输出。电容传声器根据其尺寸大小，通常以英寸为单位分为：1英寸、1/2英寸、1/4英寸和1/8英寸等不同类型。另外，根据传声器适用的不同声场性质，又分为压力场传声器(又称扩散场传声器)和自由场传声器，其中压力场传声器用于测量膜片前端表面的声压，常应用于密闭空间内的测量，如测量墙体或管壁边界的声压。

1/4英寸电容传声器常用于测量工业噪声，随着高速列车、航空和火箭发动机等领域的不断发展，在其生产研发过程中对噪声相关指标的要求也逐步提高。与目前常见的扬声器声场检测、环境噪声测量等声学测量环境相比，大功率发动机等设备在工作过程中所产生的噪声声压级通常在130dB以上，瞬时声压级可能达到或超过170dB，市面上常见的1/4英寸传声器的测量声压级上限通常为150～160dB(谐波失真＜3％)，并不能满足上述声学测试的需求。

另外，电容传声器通常具有均压孔以将后极板所在的密闭空间与待测量外部空间连接，从而在待测量外部空间气压剧烈变化的情景下及时均衡膜片两侧之间的压力差以防止进一步损害。由于现有的1/4英寸电容传声器普遍将均压孔布置在远离膜片的一端，在对腔体空间进行声压测量时，该传声器难以整体塞入该狭小空间。因此被置于待测腔体空间之外的该均压孔无法将该腔体空间与后极板所在的内部空间连通，起不到均压作用。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述技术问题，需要一种能够满足该腔体空间测量环境下均压需求并且可以比现有技术测量更高声压等级的电容传声器，本实用新型提供了一种电容传声器，其包括：

管状的主体和圆形的膜片部，其中所述主体的一端与所述膜片部气密地耦合，由此限定所述管状主体内部的密封的第一空间，在所述第一空间内设置有靠近所述膜片部并与其平行布置的后极板；

具有顶壁和侧壁的保护罩，与所述主体靠近所述膜片部的一端密封耦合，并限定一个容纳空间，所述顶壁具有至少一个通孔；以及其中，

所述主体在靠近所述膜片部的侧壁上具有贯穿所述侧壁的均压孔，所述均压孔连通所述第一空间和所述容纳空间。

优选的，所述圆形的膜片部包括圆环状的容纳部和嵌入所述容纳部的圆环内侧的圆形薄膜。

优选的，所述圆形薄膜为金属薄膜，其直径为2毫米至3毫米，厚度为10微米至30微米，弹性模量为102吉帕至207吉帕。

优选的，所述后极板与所述薄膜的相对有效面积为7平方毫米至11.4平方毫米。

优选的，所述主体内还包括：

柱状的接触部，所述接触部侧面上具有环形第一凹槽，以及所述接触部的一端耦合到所述后极板；

中空圆柱状的绝缘部，所述绝缘部的中空部与所述第一凹槽形状相适配，使得所述绝缘部气密地嵌入所述第一凹槽；以及

所述主体的内侧壁具有环形第二凹槽，所述第二凹槽与所述绝缘部外侧形状相适配，使得所述绝缘部嵌入所述第二凹槽。

优选的，所述均压孔位于所述第二凹槽中，所述绝缘部在与所述第二凹槽及其中的所述均压孔接触的部位具有至少一个导气沟槽，所述导气沟槽与所述均压孔构成均压通道，所述均压通道连通所述容纳空间和所述第一空间。

优选的，还包括紧固件，所述紧固件位于所述主体远离所述膜片部的另一端并与所述绝缘部耦合，其用于将所述绝缘部与所述主体的第二凹槽紧固，从而使所述绝缘部、所述接触部以及所述主体的第二凹槽除所述均压通道之外均密封连接。

优选的，所述紧固件为紧固件，以及所述主体的所述内侧壁具有与其配合的螺纹结构。

优选的，还包括垫片，其布置在所述第二凹槽与所述绝缘部的所述导气沟槽之间，所述垫片具有至少一个顺应所述导气沟槽方向的第二沟槽，以共同构成所述均压通道。

优选的，所述紧固件与所述绝缘部耦合部位之间还具有圆形的弹性密封圈。

优选的，所述均压孔的孔径为0.1毫米至0.9毫米，优选0.5毫米。

优选的，所述均压孔形成弯曲通道，或者所述均压孔的内壁具有多个不规则突出部或凹陷部。

根据本实用新型的电容传声器能够实现对高声压狭小腔体环境更精确的测量，同时其不容易受外界声压剧烈变化的干扰或损害，因此耐用性更高。

附图说明

以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本实用新型的第一个实施例的电容传声器耦合在测试腔中的示意图；

图2是图1所示的电容传声器内部剖面示意图；

图3示出了图1中电容传声器虚线框部分内的均压过程示意图；

图4示出了本实用新型的第一个实施例的电容传声器的典型频响曲线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。

图1根据本实用新型的一个优选实施例的电容传声器10放置在测试腔20中的示意图，其中电容传声器10仅示出了保护罩16和管状主体11，电容传声器10被保护罩16包含的该部分被气密的包含在空腔20内。

图2是图1所述电容传声器10内部剖面示意图，电容传声器10主要由管状主体11、套嵌耦合在管状主体11一端的膜片部12以及在管状主体11内部并平行靠近膜片部12布置的后极板13构成。电容传声器10还具有保护罩16，其形成容纳空间102，以将管状主体11靠近膜片部12的一端以及附近部分密封的包含在容纳空间102中。

管状主体11大致呈管状结构，具有中间的管壁和两端相对的管口部，以及具有轴线A1。其中一端的管口部与盖状的膜片部12耦合，膜片部12因此将管状主体11的该管口部密封。

膜片部12包括容纳部121和膜片122，容纳部121大致为圆环状，由金属合金制成，其具有扁平圆环状的平坦底壁以及垂直于底壁并沿着底壁外周合围的侧壁；圆环状的平坦底壁的圆心部分是中空的，由此限定了一个圆形的自由空间，圆形的膜片122的尺寸被设置为恰好适于容纳在该自由空间内，且与容纳部121的平坦底壁的外端面基本齐平底连接，膜片部12由此形成齐平的底壁外端面，其与容纳部121的合围的侧壁共同形成盖状体。其中圆形的膜片122为金属薄膜，其带有极化电荷；其可以电镀或焊接在膜片部12上。

后极板13布置在在管状主体11内靠近膜片122的位置，其平行于膜片122，两者距离需要保证足够近以产生电容效应，同时在膜片122发生法向弹性形变而靠近后极板时需要保证两者不发生接触。膜片与后极板之间存在的电容效应可以用于测量声压变化。具体的，当声波传递到膜片122一侧，在膜片上产生声压并导致膜片发生弹性形变，膜片向后极板一侧靠近，因此膜片与后极板形成的平板电容的电容量根据两者间距而变化，这一变化产生交变电压并形成实时变化的电信号输出。

后极板13通过接触部14与绝缘部15固定在管状主体11内部，接触部14与绝缘部15共同与管状主体11密封的耦合，从而将后极板13限定在管状主体11内部的第一空间101，由于该第一空间的另一端被膜片部12密封，因此第一空间101与膜片另一侧的容纳空间102是隔开的。具体而言，接触部14为柱状部件，该柱状部件具有重合于轴线A1的轴线。在其柱体靠近中段部分的外侧壁上具有第一凹槽141，所述第一凹槽141形成圆环状空间，围绕轴线A1周向的延伸。绝缘部15被设置为中部在两端面之间贯通的圆柱体且适合于嵌入接触部14的第一凹槽141。与第一凹槽141相对，管状主体11在其内侧壁上布置有第二凹槽111，所述第二凹槽111也形成圆环状空间，其围绕轴线A1在管状主体11的内侧壁上周向地延伸，绝缘部15的外侧的一部分恰好嵌入第二凹槽111中。

紧固件17大致为圆环状并在其外侧壁上具有螺纹，以及管状主体11的内侧壁在绝缘部附近具有沿A1轴周向的螺纹，两者的螺纹结构相匹配，因此紧固件17可以沿着轴线A1旋进，挤压绝缘部15与接触部14，将二者紧固。紧固件17在靠近绝缘部15的端面还具有环状凹槽，其用于容纳环状的具有弹性的O型(圆形)的密封圈18，当紧固件17围绕轴线A1旋进，O型密封圈18受到挤压变形，从而使得紧固件17和绝缘部15的接触位置之间，以及绝缘部15与管状主体11之间具有更好的气密性。

均压孔112被布置在管状主体11管壁内侧的第二凹槽111上，其垂直贯通管状主体11的管壁，均压孔112的孔径范围在大于等于0.1毫米以及小于等于0.9毫米的范围内，优选为0.5mm。

保护罩16大致为盖状结构，具有平的顶壁和围绕顶壁的侧壁，从而形成容纳空间102。保护罩16的侧壁在其远离顶壁的另一端面与管状主体11管壁外侧的突出部113密封地耦合，从而将电容传声器10从该管状主体11的突出部113至膜片部12之间的部分容纳在容纳空间102之中。因此均压孔112将容纳空间102与管状主体侧壁的内侧第一空间101连通。保护罩16的顶壁上还具有一个或者多个通孔161，其使得待测量的腔体内的声场通过该通孔161进入到保护罩16内的电容传声器10，通孔161的尺寸足够大以保证外部声场或空气容易地通过其中。因此当保护罩16耦合在电容传声器10外部并与其紧固耦合时，该整体除去通孔161之外的其余部分相对于外界是密封的。

图3是图1中虚线框部分的内部均压过程示意图，其中带有箭头的实线段示出了当膜片122两侧存在气压差时，气压梯度变化的大致方向。如图3所示，在膜片122靠近后极板13的一侧为第一空间101。在膜片122靠近保护罩16的一侧为容纳空间102，其经由保护罩16的通孔161与空腔20连通，因此空腔20内的声场可以方便的通过容纳空间102传播到膜片122上并产生应力。

绝缘部15在其靠近均压孔112的表面上布置有一个或多个导气沟槽，导气沟槽被设置为具有狭窄的横截面积，并且沟槽一端连通均压孔，另一端连通到第一空间101，其延伸方向被图3中的一部分箭头线示出。因此在绝缘部15与管状主体11贴合较紧的状态下电容传声器10仍然可以有效地通过该导气沟槽而将均压孔112与第一空间101连通，同时由于该通道狭窄，基本避免了外部声场通过其向第一空间101的传播。由于第一空间101其余边界均被密封，并且膜片部12与保护罩16之间并非密封耦合，因此第一空间101只能够通过这个导气沟槽形成的通道经均压孔112与外部的容纳空间102连通，因此腔体20的空气仅仅可以通过容纳空间102流动到均压孔112附近，并微弱的流经狭窄的导气沟槽进入第一空间101，如图3带有箭头的实线段前进方向所示，在本文中称这一空气流动通道为均压通道。此外，绝缘部的位于端面151上的导气沟槽还耦合有额外的垫片，垫片同样布置有导气沟槽，其顺应上述均压通道方向，从而提供额外的导气辅助路径，因此可以防止紧固件17旋紧时管状主体11和绝缘部15之间应力过大致使端面151上的导气沟槽通气量过度减小进而阻碍气体流通。

下面结合图1和图3介绍均压通道保护膜片122以及电容传声器10的工作原理。其中电容传声器10用于测量空腔20内的声压，其具有保护罩16的一端被密封在空腔20内。

在正常测量时，空腔20的气压具有第一气压值，膜片122两侧的容纳空间102和第一空间101中的气压均等于第一气压值。如图3所示，带有极化电荷的膜片122和后极板13之间的极小空气隙形成一个平板电容器，当空腔20内的声场的声波通过通孔161传播进入容纳空间102并作用在膜片122上，膜片122受到声波压力产生的法向推力而产生法向位移(即趋向于靠近后极板13)，改变了所述平板电容器两极板之间的距离，使该电容器的电容量发生变化，从而产生交变电压，形成实时变化的电信号输出；同时，由于均压通道非常狭小，因此该声波的总量只有非常少的一部分通过均压通道进入第一空间101内，因此该部分泄露的声波对膜片122的作用力与上文所述的法向推力相比几乎可以忽略，尽可能地提高了膜片122法向位移与空腔20内的声场强度的对应相关性，因此提高了所输出的电信号测量准确度以及降低了低频频响衰减效应。

在外部环境气压出现突变的异常情景下，比如受天气或海拔高度变化或者空腔20开关盖子导致空腔20内空气的静压剧烈变化的情景下，均压通道可以避免膜片受损。具体而言，在以上情景，空腔20内的静压从正常的第一气压值突变到第二气压值，由于容纳空间102与空腔20通过通孔161连接，且通孔161足够大而不妨碍空气自由流通，因此容纳空间102内的气压几乎在一瞬间从第一气压值弛豫到第二气压值。此时，容纳空间102内的第二气压值与第一空间101内的第一气压值出现气压差，导致均压通道内的空气沿着气压降低的梯度方向扩散，在随后较短的一段弛豫时间之后，第一空间101内的空气也从第一气压值弛豫到第二气压值。由以上过程，均压通道快速均衡了膜片122两侧的气压差，避免了膜片受到偏压时间过长而可能导致的非弹性形变、碎裂或者其他损害；同时，这也避免了偏压导致膜片122与后极板之间距离的变化，从而避免膜片122与后极板13所形成的电容的等效电容值偏离预设所导致的误差。

下面结合图4说明根据本实用新型的传声器的更高等级的声压测量范围的实现。本实施例中，在外部声压的作用下，膜片122中央产生的最大振幅即法向的最大位移，其可以用以下公式计算：

其中：d为膜片位移，Pa为作用在膜片上的压力，a为膜片半径，T为膜片张力。在测量高声压信号时，膜片的位移随着声压的提高而增加，由于膜片和后极板之间的缝隙非常小，当膜片振动幅度过大时，可能与后极板接触导致输出电信号产生削波、失真等干扰。由(1)式可知，为了避免传声器的膜片发生振动失真，必须要降低膜片位移d。也就是说，减少膜片半径a或提高膜片张力T。因此在本实施例中对膜片物理参量进行了以下限定，膜片材料的弹性模量范围限定在102～207Gpa，膜片直径范围由现有1/4英寸电容传声器中的4mm减小至2mm～3mm，膜片厚度范围为10～30um，后极板103与膜片的相对有效面积控制在7～11.4mm²。调整后的膜片相对于现有1/4英寸电容传声器中的膜片张力提升10倍以上。

另外，根据振动声学理论，传声器膜片在其共振频率点上的振动幅值最大，在传声器的频响曲线上体现为高频处的共振峰，过大的共振峰幅度有可能导致信号突变、失真，甚至可能损坏膜片。而调整后的膜片进一步减小了在待测声场中膜片在高频范围内的共振幅度，从而提升了传声器的测量声压级上限。具体地，图4示出了根据本实用新型传声器的典型频响曲线，其共振频率通常在50kHz左右，已能够覆盖大部分空气声学测试的频率范围。

根据本实施例的1/4英寸电容传声器，通过设定膜片的厚度、直径等参量，减弱了其输出电信号的削波、失真等干扰，减弱了其高频部分的共振程度，从而提高了其在高等级声压环境的响应准确度，测试结果显示其测量有效范围至少高于180dB，明显大于现有技术中的1/4英寸电容传声器。

根据本实施例的1/4英寸电容传声器，通过膜片与均压孔协同作用，在高声压环境下实现更高准确度的同时性能更稳定，不容易受外界声压剧烈变化的干扰或损害，因此耐用性更高，长期使用成本更低。

根据本实施例的1/4英寸电容传声器通过特殊的均压路径使得结构更紧凑。相比于现有技术，可以只将该传声器被保护罩覆盖的部分伸入待测狭小空间中即可实现均压保护过程，因此其应用场景更广泛。

根据本实施例的1/4英寸电容传声器通过设置紧固件以及O型密封圈，可以将绝缘部15、接触部14以及管状主体11相互接触的部分挤压并且气密地耦合在一起(除了绝缘部15和管状主体11之间的所述导气沟槽之外)。此外，额外布置的具有导气沟槽的垫片可以确保在绝缘部15和管状主体11相互挤压时均压通道仍旧有效。

在根据本实用新型的其他实施例中，在管状主体11侧壁上可以设置多于一个的均压孔，均压孔均被密封地容纳在保护罩16与管状主体11之间，优选地，该多个均压孔的横截面可以设置的比实施例一的更小。

此外，保护罩16与管状主体11可以通过额外的紧固装置例如扣合机构或螺旋机构等相互紧固，以及通过例如橡胶圈等可弹性形变部件进一步密封。

此外，均压孔112还可以设计为具有不规则内壁的贯通孔，例如具有包含多个不规则凸起或凹陷的内壁，或者其通道是弯曲迂回的，因此在气体自由通过该均压孔的前提下，外部声场容易在该不规则通道中被多次漫反射并且更容易被耗散吸收。或者还可以在均压孔附近(例如围绕其外部口)布置多孔吸声材料以增强对声场的吸收，从而进一步减弱进入第一空间的声场以减弱其对测量值的干扰。

虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种电容传声器，其特征在于，包括：

管状的主体和圆形的膜片部，其中所述膜片部具有圆形薄膜，所述主体的一端与所述膜片部气密地耦合，由此限定所述管状主体内部的密封的第一空间，在所述第一空间内设置有靠近所述膜片部并与其平行布置的后极板；

具有顶壁和侧壁的保护罩，与所述主体靠近所述膜片部的一端密封耦合，并限定一个容纳空间，所述顶壁具有至少一个通孔；以及其中，

所述主体在靠近所述膜片部的侧壁上具有贯穿所述侧壁的均压孔，所述均压孔连通所述第一空间和所述容纳空间。

2.根据权利要求1所述的电容传声器，其特征在于，所述圆形薄膜为金属薄膜，其直径为2毫米至3毫米，厚度为10微米至30微米，弹性模量为102吉帕至207吉帕。

3.根据权利要求1所述的电容传声器，其特征在于，所述后极板与所述薄膜的相对有效面积为7平方毫米至11.4平方毫米。

4.根据权利要求1所述的电容传声器，其特征在于，所述主体内还包括：

柱状的接触部，所述接触部侧面上具有环形第一凹槽，以及所述接触部的一端耦合到所述后极板；

中空圆柱状的绝缘部，所述绝缘部的中空部与所述第一凹槽形状相适配，使得所述绝缘部气密地嵌入所述第一凹槽；以及

所述主体的内侧壁具有环形第二凹槽，所述第二凹槽与所述绝缘部外侧形状相适配，使得所述绝缘部嵌入所述第二凹槽。

5.根据权利要求4所述的电容传声器，其特征在于，所述均压孔位于所述第二凹槽中，所述绝缘部在与所述第二凹槽及其中的所述均压孔接触的部位具有至少一个导气沟槽，所述导气沟槽与所述均压孔构成均压通道，所述均压通道连通所述容纳空间和所述第一空间。

6.根据权利要求5所述的电容传声器，其特征在于，还包括紧固件，所述紧固件位于所述主体远离所述膜片部的另一端并与所述绝缘部耦合，其用于将所述绝缘部与所述主体的第二凹槽紧固，从而使所述绝缘部、所述接触部以及所述主体的第二凹槽除所述均压通道之外均密封连接。

7.根据权利要求6所述的电容传声器，其特征在于，还包括垫片，其布置在所述第二凹槽与所述绝缘部的所述导气沟槽之间，所述垫片具有至少一个顺应所述导气沟槽方向的第二沟槽，以共同构成所述均压通道。

8.根据权利要求1所述的电容传声器，其特征在于，所述均压孔的孔径为0.1毫米至0.9毫米。

9.根据权利要求1所述的电容传声器，其特征在于，所述均压孔形成弯曲通道，或者所述均压孔的内壁具有多个不规则突出部或凹陷部。

10.根据权利要求8所述的电容传声器，其特征在于，所述均压孔的孔径为0.5毫米。

Images