一种频响可调的微型声压放大结构

技术领域

本发明涉及声压传感技术领域，尤其涉及一种频响可调的微型声压放大结 构。

背景技术

随着信息技术突飞猛进，高灵敏度微弱声信号探测已成为国内外研究重点。 而且，近年来声压传感器的研究热点也从电声传感技术向光纤式声压传感技术 发展。例如，光纤式声压传感器是一种利用光纤作为传光介质或探测单元的一 类声传感器，相比传统电声传感器其具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰 等优点，可广泛应用于国防安全、工业无损检测、医疗诊断及消费电子等领域。

针对不同频率检测范围，光纤声压传感器的敏感结构可分平面膜片式和梁 式。其中平面膜片式声压传感器压敏单元一般为单一圆形周边固支薄膜，工作 在远低于一阶固有频率的范围，对较宽频率范围具有较平坦的响应，但灵敏度 往往较低。而梁式结构声压传感器敏感单元一般为一端固支的悬臂梁，仅工作 在一阶固有频率附近，具有较高的灵敏度但带宽较窄。梁式结构多用于特定场 合，如一种用二氧化硅制作的75μm×50μm×8μm悬臂梁式声压传感器被应 用于内窥镜光声成像，其工作频率为0.74MHz(J.Liu,et al.Micro-cantilever-based fiber optic hydrophone fabricated by a femtosecondlaser.Optics Letters,2017,42(13):2459.)。相比之下，平 面膜片式光纤声压传感器在日常生活中有更广泛的应用。目前提高平面膜片式 声压传感器灵敏度的主要方式为改变压敏材料或优化其结构尺寸。当前敏感材 料多为硅膜，厚度为微米级，但该量级硅膜最大载荷值小，易发生断裂。石墨 烯膜厚度可以达到纳米级，为硅膜的几千分之一，且抗过载能力超过同等厚度 的硅膜，可将其用于压敏薄膜，但其声压灵敏度与薄膜材质的自身性能密切相 关，而大面积、高质量、厚度均匀的石墨烯薄膜制备与基底悬浮转移方法尚不 成熟，影响基于该材料的声压传感器性能。虽然已发表文献中石墨烯光纤声压 传感器可获得与当前商用圆形电容式振膜传声器(～50mV/Pa)基本相当的电压 灵敏度(C.Li,etal.,Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perotacoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm.Measurement Science andTechnology,2015,26:085101.)， 但对于远距离微弱声信号探测尚存在差距。而人类具有更宽的动态可听声压范 围(0-140dB，其中0dB参考压强为20μPa)，且对于20Hz-20kHz频率范围内 声压都能有效接收，这与人耳独特的生理结构密切相关。特别地，2018年韩国 科学技术院的J.H.Han等人受耳蜗基底膜启发，基于压电PZT薄膜在100Hz-4 kHz范围内制作了可多频调节的多通道压电式声传感器，获得了优于传统商用振 膜传声器(G.R.A.S.电容参比传声器)的声压灵敏度，用于实现人机交互的语 音识别(H.S.Lee,et al.,Flexibleinorganic piezoelectric acoustic nanosensors forbiomimetic artificial haircells.Adv.Funct.Mater.2014, 24(44):6914-6921.，以及J.H.Han,et al.,Basilarmembrane-inspired self-powered acoustic sensor enabled by highly sensitivemulti tunable frequency band.Nano Energy,2018,53:198-205.)，但其需要多通道采集与并行处理技术，所需的探头阵列结构繁多，且增加配套硬件成本与软件算法 复杂性。一些文献设计了针对光纤声传感器的赫姆霍兹共振腔，该共振腔具有 多个共振频率，能在14个频率点进行共振放大，其中在120Hz处灵敏度可提升 2.11倍(R.Gao,etal.Sensitivityenhancement of optical fiber vibration sensor through encapsulation ofacoustic Helmholtz resonator.Optik, 2018:S0030402618306594.)，但由于每个共振频率带宽极窄小于100Hz，因此 传感器整体频响极不平坦。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有单一传感器探头，参考人耳独特的 生理结构及声压放大特性，设计一种频响可调的声压放大结构，通过与声压传 感器的配接，实现在可调的频率范围内对声压的放大增敏，以在较宽且可调的 频率范围内有效提升其声压灵敏度，对声压传感器的高灵敏度实现具有重要的 实际意义和应用价值。

本发明的目的在于提供一种频响可调的微型声压放大结构，包括外壳(1)、 多个一级敏感膜(2)、多个连杆(3)、多个二级敏感膜(4)以及终端敏感膜(5)， 所述外壳(1)为刚性结构，包含两个腔体结构；多个所述一级敏感膜(2)作 为声压信号的接收端固定在所述外壳(1)的上表面框架上，形成周边固支的第 一边界条件；所述多个连杆(3)分别连接多个所述一级敏感膜(2)与多个所 述二级敏感膜(4)的中心，使两者受到声压作用后共同运动；多个所述一级敏 感膜(2)与多个所述二级敏感膜(4)以及所述外壳(1)共同构成第一个密封 腔；多个所述二级敏感膜(4)固定在所述外壳(1)内部的框架上，形成周边 固支的第二边界条件，并与所述终端敏感膜(5)以及所述外壳(1)构成第二 个密封腔；所述终端敏感膜(5)作为声压信号的放大端固定于所述外壳(1) 的下表面，形成周边固支的第三边界条件。

优选的，所述第一个密封腔的体积大于所述第二个密封腔的体积，并且所 述第一个密封腔以及所述第二个密封腔的腔内密封空气或惰性气体。

优选的，所述外壳(1)和多个所述连杆(3)为刚性材料，声压作用下的 形变可忽略不计；多个所述连杆(3)选用低密度材料，使其质量引起的薄膜预 变形可忽略不计。

优选的，多个所述一级敏感膜(2)、多个所述二级敏感膜(4)以及所述终 端敏感膜(5)为周边固支薄膜结构，形状为规则形状，如方形、圆形。当然本 领域技术人员可以根据需要设计其他适用的近规则形状；多个所述一级敏感膜 (2)或多个所述二级敏感膜(4)具有多种不同的膜厚，或具有多种不同的薄 膜材料。

优选的，多个所述一级敏感膜(2)与多个所述二级敏感膜(4)的数量相 等，一一对应，通过多个所述连杆(3)对应连接，多个所述一级敏感膜(2) 与多个所述二级敏感膜(4)的各个边长均相同，每个所述一级敏感膜(2)的 形状大小均相同并呈中心对称分布，每个所述连杆(3)的形状大小均相同并呈 中心对称分布，每个所述二级敏感膜(4)的形状大小均相同并呈中心对称分布。

优选的，多个所述连杆(3)连接多个所述一级敏感膜(2)与多个所述二 级敏感膜(4)的中心位置，形状为上宽下窄结构，从而形成所述连杆(3)与 多个所述一级敏感膜(2)的接触面积大于所述连杆(3)与多个所述二级敏感 膜(4)的接触面积。

优选的，多个所述一级敏感膜(2)、多个所述二级敏感膜(4)以及所述终 端敏感膜(5)的面积依次减小，且使用对声压敏感的弹性薄膜。

优选的，所述外壳(1)与多个所述一级敏感膜(2)、多个所述二级敏感膜 (4)以及所述终端敏感膜(5)通过物理吸附、化学吸附或粘结固定；多个所 述连杆(3)分别与多个所述一级敏感膜(2)以及多个所述二级敏感膜(4)通 过粘结固定。

优选的，还包括光纤陶瓷插芯(6)，将所述终端敏感膜(5)吸附在所述光 纤陶瓷插芯(6)表面；然后将所述光纤陶瓷插芯(6)用环氧树脂胶粘贴在所 述外壳(1)底部，粘贴处无空隙，将所述光纤陶瓷插芯(6)设置作为所述外 壳(1)的一部分。

优选的，所述频响可调的微型声压放大结构通过3D打印一体成型、分离组 件粘连以及MEMS工艺实现。

工作原理为：结构中终端敏感膜(5)的挠度变化通过光纤或电学测量方式， 对经声压放大后的信号实现检测。并且，频响可调的的微型声压放大结构可借 助密封连接头与声压传感器探头进行配接，实现声压信号的放大增敏且频响可 调。

本发明的频响可调的微型声压放大结构作过程是：初始频响可调的声压放 大结构内部为密封状态；当外部声压作用到多个一级敏感膜2，使一级敏感膜2 发生形变，而作用到一级敏感膜2表面的声压通过多个连杆3进行分别放大， 并传递到多个二级敏感膜4；由于多个二级敏感膜4与终端敏感膜5形成密封腔， 则二级敏感膜受连杆作用而产生形变，进而引起密封腔压强变化，并作用到终 端敏感膜，终端敏感膜5感受的声压为放大后的声压；此外，多个一级敏感膜2 和多个二级敏感膜4具有多种不同膜厚或不同薄膜材料，因此整体结构具有多 个不同的一阶固有频率，选取合适的膜厚并选用合适的材料，使多个一阶固有 频率覆盖较宽的频率范围，且各间隔等距，则整体结构的频率响应为n个单独 结构的频率响应包络，从第1个一阶固有频率到第n个一阶固有频率范围内， 具有很高的声压共振放大效果。在低于第1个一阶固有频率的范围内，基于人 耳听骨传声原理的声压增益，也能实现较低频率范围内的声压放大。本发明通 过采用多级膜结构进行声压放大，采用多个多级膜结构对频响进行调节，对图1 中的实施例进行频响仿真，得到图5所示的频率响应仿真结果，多级膜结构对 声压的放大使得声压灵敏度得到显著提升，而使用四个多级膜结构后比使用单 个膜结构在更宽的频率范围内具有更高的声压灵敏度，改变多级膜结构的数量，以及改变各一级敏感膜的厚度，可在更宽的频率范围，或特定的频率范围内增 强灵敏度，从而达到了频率可调的效果。该放大后的声压信号可通过光纤检测 或电学检测方式，获取终端敏感膜的中心挠度变化，从而实现待测声压的测量。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案， 本发明提供的结构可取得显著的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利 用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明结构适用范围广，可与膜片式声压传感器相配接，仅需单通道 检测，后续信号处理简单。

(2)本发明基于人耳听骨传声原理实现声压的传递与放大，对较低频率的 声信号具有平坦的声压放大效果，对可调的多个一阶固有频率所覆盖的范围具 有很高的声压共振放大效果。

(3)本发明对频响的调节与一级敏感膜和二级敏感膜的膜厚和材料参数有 关，通过改变薄膜厚度和选用不同的薄膜材料，可实现对多个一阶固有频率的 自定义设计，改变多个固有频率大小与间距，从而实现频响可调。

(4)本发明对声传感器灵敏度的放大倍数与结构尺寸有关，通过改变各部 件的结构尺寸，可实现不同的声压放大倍数。

(5)本发明所使用的材料可选范围广，工艺要求低，制作方法相对简单。 外壳与连杆可为一般树脂、塑料、金属等材料，不限于单一材料；外壳可多部 分拼接；而一级敏感膜、二级敏感膜可使用常见的弹性薄膜等。

(6)本发明含有两个密封腔，为压差产生提供条件，但密封腔气密性要求 不高，一般制作过程可实现，且腔内压强无特殊要求。

(7)本发明中终端敏感膜的挠度变化可通过光纤或电学测量方式，对经声 压放大后的信号实现检测，具有适用对象广的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、 特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如 下。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实 施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人 员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下 结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的频响可调的微型声压放大结构的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的频响可调的微型声压放大结构外壳透视后的结 构示意图。

图3为根据本发明实施例的频响可调的微型声压放大结构两个不同位置的 剖视图。

图4为根据本发明实施例的连接有光纤插芯的频响可调的微型声压放大结 构示意图。

图5为根据本发明实施例的频响可调的微型声压放大结构对声压放大和频 响响应改善的仿真效果图。

图中附图标记含义为：1为外壳，2为一级敏感膜，3为连杆，4为二级敏 感膜，5为终端敏感膜，6为光纤陶瓷插芯。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下 结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种党政机关公文辅助生成系统 及党政机关公文辅助生成的方法，其具体实施方式、方法、步骤及其功效，详 细说明如后。

通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段 及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用， 并非用来对本发明加以限制。

如图1、图2、图3所示，本实施例的一种频响可调的声压放大结构，主要 包括外壳1，四个一级敏感膜2，四个连杆3，四个二级敏感膜4和终端敏感膜 5。实施例中以外壳1、连杆3采用光敏树脂；一级敏感膜2采用铜膜，二级敏 感膜4采用TPU(热塑性聚氨酯)薄膜；终端敏感膜采用石墨烯薄膜。利用3D 打印方式制作外壳1及连杆3；将一级敏感膜2所用的铜膜裁剪，覆盖外壳1上 表面方形框架上，将二级敏感膜4所用的TPU薄膜裁剪，覆盖在外壳1内部的 较小方形框架上；用环氧树脂胶二级敏感膜4粘贴于外壳1内部，粘贴处四周 无空隙；用环氧树脂胶将四个连杆3的宽面一侧分别粘贴于四个一级敏感膜2 的各中心；在外壳1的顶部、四个连杆3的窄面一侧均匀涂覆环氧树脂胶，将 一级敏感膜2与连杆3整体粘于外壳1上，其中一级敏感膜2与外壳1粘贴处 无空隙，连杆3的窄面一侧粘贴于二级敏感膜4中心；终端敏感膜5选用商用 的石墨烯膜。由于打印的外壳1选用光敏树脂材料，两者无法直接粘连或吸附， 为此，如图4所示，借助光纤陶瓷插芯6，将终端敏感膜5吸附在光纤陶瓷插芯 6表面；再将光纤陶瓷插芯6用环氧树脂胶粘贴于外壳1底部，粘贴处无空隙， 此时光纤陶瓷插芯6也属于外壳1的一部分。一级敏感膜2感受声压后，带动 二级敏感膜4振动，使第二个密封腔压强改变，变化的压强作用到终端敏感膜5 上，使其产生挠度变化。该薄膜挠度变化通过光纤干涉方式检测，由此可实现 待测声压的测量。

本实施例给出了一组频响可调的声压放大结构的敏感尺寸：

外壳1和四个连杆2材料相同，均为光敏树脂；外壳1的外部边长为25mm， 厚度为6mm，内部两个十字框架宽度和厚度分别为1mm，内部镂空处边长或直 径分别与四个一级敏感膜2、四个二级敏感膜4、终端敏感膜5的边长或直径相 同。一级敏感膜2的边长为10mm，二级敏感膜4的边长为2mm，终端敏感膜 的直径为125μm。连杆2为上宽下窄倾斜结构，顶面边长为5mm，底面边长为1mm，高度为5mm。

四个一级敏感膜2的材料相同，均采用铜膜，厚度分别为10μm、15μm、20μm、 25μm。

四个二级敏感膜4的材料相同，均采用TPU薄膜，厚度均为15μm。

终端敏感膜5采用10层石墨烯薄膜，其厚度约为3.35nm。

四个二级敏感膜4、终端敏感膜5与外壳1形成的第二个密封腔为矩形空腔， 边长为5mm，高度为0.1mm。

本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸，均属于本领域技术 人员可以确认使用的尺寸范围和本发明的保护范围。

工作原理：

初始频响可调的声压放大结构内部为密封状态；当外部声压作用到四个一 级敏感膜2，使一级敏感膜2发生形变，而作用到一级敏感膜2表面的声压通过 四个连杆3进行分别放大，并传递到四个二级敏感膜4；由于四个二级敏感膜4 与终端敏感膜5形成密封腔，则二级敏感膜受连杆作用而产生形变，进而引起 密封腔压强变化，并作用到终端敏感膜，终端敏感膜5感受的声压为放大后的 声压；此外，四个一级敏感膜2和四个二级敏感膜4具有多种不同膜厚或不同 薄膜材料，因此整体结构具有四个不同的一阶固有频率，选取合适的膜厚并选 用合适的材料，使四个一阶固有频率覆盖较宽的频率范围，且各间隔等距，则 整体结构的频率响应为n个单独结构的频率响应包络，从第1个一阶固有频率 到第n个一阶固有频率范围内，具有很高的声压共振放大效果。在低于第1个 一阶固有频率的范围内，基于人耳听骨传声原理的声压增益，也能实现较低频 率范围内的声压放大。本发明通过采用多级膜结构进行声压放大，采用四个多 级膜结构对频响进行调节，对图1中的实施例进行频响仿真，得到图5所示的 频率响应仿真结果，多级膜结构对声压的放大使得声压灵敏度得到显著提升， 而使用四个多级膜结构后比使用单个膜结构在更宽的频率范围内具有更高的声 压灵敏度，改变多级膜结构的数量，以及改变各一级敏感膜的厚度，可在更宽 的频率范围，或特定的频率范围内增强灵敏度，从而达到了频率可调的效果。 该放大后的声压信号可通过光纤检测或电学检测方式，获取终端敏感膜的中心 挠度变化，从而实现待测声压的测量。

本实施例的优点：

(1)本实施例结构适用范围广，可与膜片式声压传感器相配接，仅需单通 道检测，后续信号处理简单。

(2)本实施例基于人耳听骨传声原理实现声压的传递与放大，对较低频率 的声信号具有平坦的声压放大效果，对可调的多个一阶固有频率所覆盖的范围 具有很高的声压共振放大效果。

(3)本实施例对频响的调节与一级敏感膜和二级敏感膜的膜厚和材料参数 有关，通过改变薄膜厚度和选用不同的薄膜材料，可实现对多个一阶固有频率 的自定义设计，改变多个固有频率大小与间距，从而实现频响可调。

(4)本实施例对声传感器灵敏度的放大倍数与结构尺寸有关，通过改变各 部件的结构尺寸，可实现不同的声压放大倍数。

(5)本实施例所使用的材料可选范围广，工艺要求低，制作方法相对简单。 外壳与连杆可为一般树脂、塑料、金属等材料，不限于单一材料；外壳可多部 分拼接；而一级敏感膜、二级敏感膜可使用常见的弹性薄膜等。

(6)本实施例含有两个密封腔，为压差产生提供条件，但密封腔气密性要 求不高，一般制作过程可实现，且腔内压强无特殊要求。

(7)本实施例中终端敏感膜的挠度变化可通过光纤或电学测量方式，对经 声压放大后的信号实现检测，具有适用对象广的优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟 悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技 术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术 方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同 变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。