CN2275484Y - 超谐振式声传感器 - Google Patents

Abstract

超谐振式声传感器,用氟塑料制作的谐振膜片4经联接头部2与座体1密封固连,工作于ω>ω。的超谐振区的中、高频宽阔频带,敏感件3的电信号经内置处理电路5输出。具有优良的频率响应、灵敏度、指向性和防腐蚀性,造价较低。克服了现有宽带声传感器频率范围低、响应不平坦、或价格昂贵、灵敏度低和窄带超声传感器的带宽与耐久性不如人意的缺点,是一种性能优良、极具前景的声传感器,已制作小批样件,效果良好。

Description

超谐振式声传感器

本发明创造涉及一种声传感器，特别是关于在超谐振区工作的中高频声传感器。

现有声传感器，可分为宽带声传感器和窄带超声传感器两类。传感器设置有受激振动膜片4，振动膜片上附加有敏感件3，敏感件感受振动膜片的振动，产生和输出相应的电信号，其工作机理是半径为R的圆形振动膜片4为一种典型的周边固定的单自由度振动体，其固有角频率可由下式描述： ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{x_{\mathrm{NS}}}{R_2}\sqrt{\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)\mathrm{\ρA}}}----\left(1\right)$ (见《机械设计手册》第一卷P6-23)，式中，

α_NS——振型常数，E——弹性模量，t—膜片厚度，R——膜片半径，μ—泊松比，ρ_A——单位面积质量。

该系统受激发生“受迫振动”，当激励频率为ω时，定义“频率比”λ＝ω/ω₀，则有受迫振动的振幅： $X=\frac{X_{\mathrm{of}}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\λ\ζ}\right)}^2}}---\left(2\right)$ 式中X_of＝F/K，是在静力作用下的系统静位移。

ζ：称阻尼因子或阻尼比，是材料的粘性阻尼系数c与临界阻尼系数c_e之比；且有： $\mathrm{\ζ}=c/c_e=c/\left(2\sqrt{\mathrm{Km}}\right);$ c为实际粘性阻尼系数，c_e为临界阻尼系数，K为刚度，m为质量。阻尼因子与阻尼损耗因子有η＝2ζ的简单关系。通常可以用半功率带宽来估计系统的阻尼，ζ≈(ω₂-ω₁)/2ω₀。阻尼与共振频率是决定传感器使用频率范围的两个最主要的参数。

X/X_of称为“振幅比”，它与振动角频率比(λ＝ω/ω₀)及阻尼因子(之间有附图2所示的关系，由图可见阻尼因子对振动响应特性的影响很大：谐振点处的“振幅比”随阻尼因子的增大而迅速下降，且随阻尼因子增大谐振峰向λ＜1的区间移动。低阻尼时，谐振点处的振幅很大，因此传感器一般应避开在谐振点区域工作。

现有声传感器的振动膜片通常用金属材料制作，金属材料的损耗因子η一般较低，钢铁类为(1～6)·10^-4，金属中内阻尼高的材料有磁钢、镁钴合金、55/45镍钛合金，70/30锰铜等，但这些材料一般均较昂贵，有的加工性不好，其ζ值一般仍在0.1～0.3之间，而金属材料的弹性模量值却较高，一般为数百GPa级，因此现有金属振动膜片的声传感器，其片厚一般在0.5mm以下，相对片厚t/2R值在0.01～0.03范围。其设计不得不凭借增大ω₀值的同时，将工作区压缩于λ＜1的“亚谐振区”中靠低端的一段区间，为拓宽传感器工作频带，为使传感器有较高的灵敏度，将振动膜片厚度与其直径之比的相对片厚降至甚小的0.01数量级，依靠振动膜片材料较高的弹性模量和刚度，来使传感器维持较高的固有频率，如：膜片厚约0.2mm，片径为20mm左右的声传感器，其固有频率在5～8KHz范围，但正处在通常所需的工作频率范围，故工作频带仍极大地受到限制，而且固有频率ω₀的增大，意味着片厚或弹性模量值的增大即振动膜片刚度增加，因为膜片的刚度大约与弹性模量和厚度的平方成正比，有K∝Et²。而刚度增加意味着“静变位”值X_of＝F/K下降，这会导致传感器的灵敏度下降。

因此，现有宽带声传感器的频率范围一般是声频范围，有可用频率范围低和响应不平坦的特点，能兼顾声频和超声频的宽频带传感器不仅价格昂贵而且灵敏度低。窄带超声传感器工作频带是以ω₀为中心的一个窄带，其频带一般极窄，仅数百Hz，虽然价格低廉但耐久性，可靠性和通频带难如人愿。

本实用新型的目的，是设计一种用于中高频带，其频率范围，响应特性，灵敏度及造价等优于现有产品的声传感器。

基于以上分析，对现行声传感器的增大ω₀、使传感器工作于亚谐振区的设计思想反其道而行之；采用阻尼因子值0.2＜ζ＜1的高阻尼和低弹性模量(E值在几百MPa以下)的材料制作振动膜片，即使在片厚增大至数倍于现有传感器振动膜片厚度(如t/2R值在0.05～0.2范围)的情况下，仍能十分有效地进一步降低膜片的固有频率和刚度，从而使灵敏度也相应提高。实现压低固有频率的同时，使传感器工作于λ＞1的超谐振区的中高频的宽阔频带范围。

氟塑料就是满足这种性能要求的材料，其损耗因子η＝(6～9)×10^-1，高于钢铁材料达2～3个数量级，其弹性模量为数百MPa而远低于金属的数百GPa。

由于膜片使用相对高阻尼、低弹性的材料制作，不仅使谐振峰值降低，且谐振峰向λ＜1的区间移动，并使膜片的固有频率和刚度下降和传感器工作于超谐振区宽阔区间，较工作于亚谐振区，不仅工作频带大为拓展，并因采用了信号微分放大处理电路，能获得较已有工作于亚谐振区的传感器更为良好的频响特性，有更高的灵敏度等诸多效果，振动膜片用氟塑料制作，还有成本低，抗腐蚀性好的优点。

下面结合附图作进一步说明：

图1所示振动膜片4通过螺纹联接头2，螺接并加胶密封地安装在座体1上，传感器前端设置接收罩6，以调节和改善传感器的指向性。

振动膜片受迫振动，其频响特性见式(2)描述，由于工作于λ＞1的超谐振区及使用高阻尼材料，当λ＞＞1时，式(2)可近似简化为 $X=\frac{X_{\mathrm{of}}}{{\mathrm{\λ}}^2}=\frac{A}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(3\right)$

可见，在超谐振区，位移振幅X是一个与频率比λ或角频率的ω的平方成反比的函数，则应有：

振动速度V＝dx/dt＝A/ωcos(ωt)

振动加速度a＝dv/dt＝-Acos(ωt)

即振动速度的幅值是与角频率ω成反比的函数，而振动加速度的幅值是与振动频率无关的常量，敏感件受感输出的相应电信号的幅值一般是正比于其感受的振动量幅值的，因此，根据敏感件受感的是振动位移、振动速度、振动加速度或综合受感的情况，我们可以有针对性地设计出相应的电路5进行微分放大处理，甚至无需微分处理，即可获得极为满意的频响特性。

附图3就是针对以压电陶瓷晶片敏感件而设计的处理电路5的一个实施例。

电路含有电阻器R1～R4，晶体管V1、V2，电位计RP，电容器C1、C2，R3、R4对NPN晶体管V1偏置，R4接地并联接大电容量的电容器C1以便充分降低交流阻抗，V1的发射极接R1，R1的另一端接地，R2的一端接V1的集电极，另一端接供电线VI，电荷型敏感片3的一端接地，另一端接V1发射极。R1～R4、C1、V1对于敏感片3是一个低输入阻抗的共基极放大器，它能将敏感件压电晶片3输出的正比于位移(应变)的电荷

q＝Q(x)sin(ωt)

转化为电流并绝大部分(99.9％)转移到集电极电阻R2上，产生电压u，由于

q＝Q(x)sin(ωt)

 ＝(A/ω²)sin(ωt)

所以有：

i＝dq/dt

 ＝(A/ω²)cos(ωt)·ω

 ＝(A/ω)cos(ωt)

u＝i·R2

 ＝(A/ω)·R2·cos(ωt)

由此可见，经内置电路一次微分处理后降低了频率对输出信号影响，传感器输出的高频特性也得到了改善，展宽了传感器的频带。理论上，如果对输出信号再进行一次微分，可以得到一个不受频率因子影响的频率特性良好的声学传感器。

U_o＝＝du/dt＝A·R2·sin(ωt)(不考虑符号)。

PNP晶体管V2的基极接到V1的集电极，其发射极电位计RP上的交流电压等于u，调节RP，使大容量的电容器C2旁路一部分电阻值，则剩下的电阻值变小，就改变了流过它的电流IO。输出电流IO存在于电源供电线VI上，由于直流电源供给和交流电流输出共用电源线和地线，从而实现了“两线制”。本实施例处理电路5是基于对电量微分和输出电流的，我们称之为“微分式两线制电流输出放大器”。

改变供电的极性时，只需将V1(NPN)、V2(PNP)晶体管互易位置即可。

当使用电阻应变片作敏感件时，改变图3电路的参数而不改变其结构，也可构成“电压型微分式两线制电流输出放大器”(5)。其特征是，低阻值的应变片3直接并接在电阻器R1上，调整R2～R4，使应变片上的电压小于等于规定的供电电压，而V1不饱和；C1用较小的电容量，使ω＞ω₀时的应变片信号电流取决于C1的容抗

X_C1＝1/(ω·C1)

此时，V1发射极输入阻抗RF是：

RF＝R_EB+(X_C1∥R3∥R4)

使X_C1远小于R3、R4的并联值而远大于V1的共基极输入阻抗R_EB，则：

RF＝X_C1

  ＝1/(ω·C1)

因谐振片的振动幅度在ω＞ω₀时是频率ω²的反比例函数，因此，应变片的信号交流电压UI也是频率ω²的反比例函数：

UI＝A/ω²

UI流向基极的电流是：

IF＝UI/RF＝UI/X_C1

  ＝(A/ω²)·(ω·C1)＝(A/ω)·C1

它导至应变片流向V1集电极的电流是：

IJ＝IF·β＝(A/ω)·β·C1

式中β是晶体管V的共发射极电流放大系数。由于应变片是有内阻的器件，其输出电流是有限的，其输出电流的1/(β+1)流入基极，该输出电流的β/(β+1)流向集电极，因此，应用高增益的晶体管V时，例如共基极电流放大系数β＞100时，电路有良好的稳定性。

Claims (4)

1  一种超谐振式声传感器，含有金属座体(1)、周边固定的圆形振动膜片(4)，装设在振动膜片(4)内侧的敏感件(3)和相应的输出输入电线，其特征在于振动膜片(4)用阻尼因子值为0.2＜ζ＜1的和弹性模量数百MPa以下的材料制作，通过连接头(2)与座体(1)密封固联。

2  按权利要求1所述的超谐振式声传感器，其特征是振动膜片(4)用氟塑料制作，经螺纹连接头(2)与座体(1)螺接加胶密封固联，传感器前端设置了兼有调节指向性和保护振动膜片的接收罩(6)。

3  按权利要求1、2所述的超谐振式声传感器，其特征是传感器内设置有对敏感件(3)相应的信号进行微分放大处理的电路(5)。

4  按权利要求3所述的超谐振式声传感器，其特征在于微分放大处理电路(5)是两线制微分电流输出放大器，其电路含有电阻器R1～R4，晶体管V1、V2、电位计RP、电容器C1、C2；R3、R4对V1偏置，R4与C1并联接地，V1的发射极接R1，R1的另一端接地，R2的一端接V1的集电极，另一端接供电线VI，敏感件3的一端接地，另一端接V1的发射极，V2的基极接到V1的集电极，发射极经电位计RP接供电线VI，电容器C2与RP并接在供电线VI上。

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