專利名稱：仿直翅目鳴蟲翅膜超微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方法
仿直翅目鳴蟲翅膜超微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬傳感器設(shè)計(jì)，特別涉及聲學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)背景
一、聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)基本方法
為了得到所需聲學(xué)傳感器的頻率特性，特別是寬帶傳感器較平直的頻響特性，往 往采取三種設(shè)計(jì)方案。一是信號(hào)處于傳感器系統(tǒng)的勁度控制區(qū)(f>>fo)，使得信號(hào)的幅 度響應(yīng)與頻率無(wú)關(guān)；二是信號(hào)處于傳感器系統(tǒng)的質(zhì)量控制區(qū)(f<< fo)，使得信號(hào)的加速 度響應(yīng)與頻率無(wú)關(guān)；這兩種控制方案屬于失諧控制，頻響曲線對(duì)稱性較差。第三種控制方案 是使信號(hào)處于傳感器系統(tǒng)的力阻控制區(qū)，這種控制方案頻響曲線對(duì)稱性好，通過(guò)增大力阻 而減小力學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q值，可以實(shí)現(xiàn)較寬的速度響應(yīng)帶寬。但是，這種方案需要附加復(fù)雜的 阻尼結(jié)構(gòu)，不利于傳感器的小型化。
二、直翅目鳴蟲翅膜超微結(jié)構(gòu)與發(fā)聲頻率特性的關(guān)系
研究發(fā)現(xiàn)，以翅膜振動(dòng)作為發(fā)聲器的直翅目鳴蟲的鳴叫聲可以分為兩大類，一類 (主要是蟋蟀科)呈現(xiàn)明顯的離散譜(見(jiàn)圖1)，即具有較高的Q值；另一類(主要是螽斯 科)呈現(xiàn)低Q值的連續(xù)譜噪聲(見(jiàn)圖幻。由電鏡照片發(fā)現(xiàn)，蟋蟀科樣本和螽斯科樣本的翅 膜表面超微結(jié)構(gòu)明顯不同。蟋蟀科的翅膜表面超微結(jié)構(gòu)分布下凹坑體(見(jiàn)圖3)，這種下凹 坑體結(jié)構(gòu)使得坑體表面處速度梯度變小，進(jìn)而使該處粘滯阻力變小，使得蟋蟀科翅膜具有 較大的Q值，呈現(xiàn)出離散譜發(fā)聲特性。螽斯科的翅膜表面超微結(jié)構(gòu)分布乳突狀突起物或條 狀突起物(見(jiàn)圖4)，這些突起物一方面使翅膜表面處速度梯度變大，切向摩擦應(yīng)力變大；另 一方面使空氣流體流經(jīng)的路程加長(zhǎng)，相當(dāng)于增加了空氣流體與翅膜的有效接觸面積，從而 使該處粘滯阻力變大，因此螽斯科翅膜具有較小的Q值，呈現(xiàn)寬帶的廣譜噪聲特性。
綜上所述，直翅目鳴蟲是通過(guò)采取不同的翅膜表面超微結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)對(duì)Q值的確 定，相當(dāng)于無(wú)專門阻尼結(jié)構(gòu)的力阻控制聲學(xué)發(fā)射換能器。根據(jù)聲學(xué)發(fā)射換能器與接收換能 器(傳感器)的互易性原理，直翅目鳴蟲翅膜超微結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)聲特性的影響可以啟發(fā)人類聲 學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的新思路。發(fā)明內(nèi)容
(1)要解決的技術(shù)問(wèn)題
為了克服現(xiàn)有聲學(xué)傳感器復(fù)雜、不利于傳感器小型化的的不足，本發(fā)明提出一種 仿直翅目鳴蟲翅膜的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方案，該方案通過(guò)對(duì)聲學(xué)傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)確定Q值，使傳感器的部分結(jié)構(gòu)成為冗余。本發(fā)明既可以提高傳感器Q值，增加傳 感器靈敏度，又可以降低Q值，加寬傳感器相應(yīng)帶寬.特別是對(duì)于寬帶傳感器，可以去除聲 學(xué)傳感器現(xiàn)有的阻尼結(jié)構(gòu)，大大縮小聲學(xué)傳感器的體積。
(2)技術(shù)方案
方案中舉例應(yīng)用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。3
本發(fā)明由下述步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一，本發(fā)明主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計(jì)而實(shí) 現(xiàn).因此，首先要確定相應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)平滑的傳感器設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)，我們稱之為原型傳感 器.原型傳感器決定了待設(shè)計(jì)制作傳感器的基本類型(如壓電式、磁致伸縮式等)、傳感器 各組成部分所用材料、組成方式(如單元傳感器、線陣傳感器、面陣傳感器等)、表面整體結(jié) 構(gòu)(如平面、柱面、球面等)、決定敏感元件的中心頻率、Q值調(diào)整起點(diǎn)、等效振動(dòng)質(zhì)量等。
步驟二，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)基本特征。高Q值采取 下凹結(jié)構(gòu)，低Q值寬帶傳感器采取上凸結(jié)構(gòu)。
步驟三，根據(jù)目標(biāo)Q值，由具體實(shí)施方式
中(1 式或(17)式確定傳感器敏感元件 表面細(xì)微結(jié)構(gòu)面積&或&，并由此確定下凹或上凸結(jié)構(gòu)具體參數(shù)。由于影響傳感器特性的 因素錯(cuò)綜復(fù)雜，理論設(shè)計(jì)的參數(shù)只能作為參考。
步驟四，去除由于新型設(shè)計(jì)形成的相應(yīng)傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)的冗余部分，制作傳感器樣品。
步驟五，樣品測(cè)試，調(diào)整和設(shè)計(jì)方案。此步驟可能需反復(fù)進(jìn)行多次。
有益效果
該方案通過(guò)對(duì)聲學(xué)傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定Q值，使傳感器的部 分結(jié)構(gòu)成為冗余。特別是對(duì)于寬帶傳感器，可以去除聲學(xué)傳感器現(xiàn)有的阻尼結(jié)構(gòu)，大大減小 聲學(xué)傳感器的體積。


圖1是迷卡斗蟋(蟋蟀科)鳴叫聲的頻譜，可以看出譜線上有5個(gè)明顯的峰值。由 測(cè)量可得其Q值約8. 6 13. 6之間。
圖2是烏蘇里姬螽(螽斯科)鳴叫聲的頻譜，譜線上看不出明顯的峰值，呈現(xiàn)寬帶 噪聲特征(Q值<i/V5)。
圖3是迷卡斗蟋(蟋蟀科)翅膜的電鏡照片，其超微結(jié)構(gòu)是五邊形下凹結(jié)構(gòu)。
圖4是烏蘇里姬螽(螽斯科)翅膜的電鏡照片，其超微結(jié)構(gòu)分布著乳突狀突起物。
圖5是表面結(jié)構(gòu)為平面的蜂鳴器的實(shí)物照片。
圖6是將圖5中蜂鳴器表面粘接直徑0. 340mm漆包線后形成條狀凸起表面結(jié)構(gòu)后 的實(shí)物照片。
圖7是蜂鳴器表面為平面結(jié)構(gòu)時(shí)沖擊響應(yīng)的頻譜曲線，箭頭所指處有一個(gè)明顯的 峰(3375Hz)，強(qiáng)度約為20dB。此即為該蜂鳴器的發(fā)聲頻率，表明該蜂鳴器為Q值較高的窄帶發(fā)聲器。
圖8是同一蜂鳴器表面粘接條狀突起物后沖擊響應(yīng)的頻譜曲線，箭頭所指處的峰 已不復(fù)存在，并且頻響曲線變得較為平坦，表明此時(shí)該蜂鳴器已成為Q值較低的寬帶發(fā)聲器O
圖9是為實(shí)現(xiàn)寬帶頻率特性，傳統(tǒng)傳感器由于增加阻尼背襯而形成的外觀結(jié)構(gòu)實(shí) 物照片。
圖10是由蜂鳴器、信號(hào)發(fā)生器和錄音筆組成的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
中舉例應(yīng)用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
1、原型敏感元件設(shè)計(jì)
原型敏感元件是指表面平滑的敏感元件，它是仿直翅目鳴蟲翅膜聲學(xué)傳感器敏感 元件的基礎(chǔ)模板。原型敏感元件決定高、低Q值敏感元件的中心頻率、Q值調(diào)整起點(diǎn)、等效 振動(dòng)質(zhì)量等。以圓形膜聲學(xué)傳感器敏感元件為例，周界固定的圓形膜對(duì)稱振動(dòng)簡(jiǎn)正頻率
權(quán)利要求
1.仿直翅目鳴蟲翅膜超微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方法，其特征是由下述步驟實(shí)現(xiàn)一、首先要確定相應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)平滑的傳感器的設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)，稱為原型傳感器.原 型傳感器決定了待設(shè)計(jì)制作傳感器的基本類型、傳感器各組成部分所用材料、組成方式、表 面整體結(jié)構(gòu)、決定敏感元件的中心頻率、Q值調(diào)整起點(diǎn)、等效振動(dòng)質(zhì)量；二、根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)基本特征，即高Q值采取下凹結(jié) 構(gòu)，低Q值寬帶傳感器采取上凸結(jié)構(gòu)； 三、根據(jù)目標(biāo)Q值，由具體實(shí)施方式
中13式
全文摘要
本發(fā)明屬傳感器設(shè)計(jì)，特別涉及聲學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)方法。為了克服現(xiàn)有聲學(xué)傳感器復(fù)雜、不利于傳感器小型化的的不足，提出一種仿直翅目鳴蟲翅膜的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方案，該方案通過(guò)對(duì)聲學(xué)傳感器敏感元件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定Q值，使傳感器的部分結(jié)構(gòu)成為冗余。既可以提高傳感器Q值，增加傳感器靈敏度，又可以降低Q值，加寬傳感器相應(yīng)帶寬，特別是對(duì)于寬帶傳感器，可以去除聲學(xué)傳感器現(xiàn)有的阻尼結(jié)構(gòu)，大大縮小聲學(xué)傳感器的體積。
文檔編號(hào)H04R1/28GK102036143SQ20101051764
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者任炳忠, 劉俠, 劉斐, 尚利娜, 王雙維, 王寅亮 申請(qǐng)人:東北師范大學(xué)