本發(fā)明屬于傳聲器領(lǐng)域，具體涉及一種基于石英晶體諧振器的高靈敏度傳聲器。

背景技術(shù)：

在電聲領(lǐng)域，傳統(tǒng)的傳聲器是駐極體電容式傳聲器，其主要原理是通過駐極體膜與振膜或背極之間形成電容，將外界聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。駐極體電容式傳聲器結(jié)構(gòu)簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，故價(jià)格低。但是駐極體電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)中有一個(gè)較大后腔，所以厚度較大，不能滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品薄型化的需求。近年來，新型的硅傳聲器，即微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳聲器在性能和體積方面相較于傳統(tǒng)傳聲器有較大優(yōu)勢，然而目前mems壓電傳聲器的靈敏度較低，阻礙了其應(yīng)用發(fā)展。

石英晶體諧振器以其高q值、高頻率穩(wěn)定度被廣泛應(yīng)用于頻率控制和通訊等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，石英諧振器的諧振頻率不僅取決于諧振器的幾何尺寸，同時(shí)還受到諸如溫度、濕度、力、加速度和振動(dòng)、磁場、電場以及輻射等環(huán)境因素的影響。這些環(huán)境因素的變化都會(huì)不同程度地引起石英諧振器諧振頻率的變化。這些因素中，力、加速度和振動(dòng)等對(duì)石英諧振器諧振頻率的影響都是通過力—頻效應(yīng)起作用的。力—頻效應(yīng)就是當(dāng)石英諧振器受到外加作用力、加速度和振動(dòng)、電極變形或其它因素所引起的應(yīng)力的作用時(shí)，產(chǎn)生諧振頻率偏移的現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于石英晶體諧振器的高靈敏度傳聲器，利用石英晶體諧振器的力—頻特性，將聲波加載在振動(dòng)膜片上產(chǎn)生的振動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為應(yīng)力作用在石英晶體諧振器上，使得石英晶體諧振器產(chǎn)生頻偏，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換，通過測量頻偏即可得到膜片的振動(dòng)參數(shù)，進(jìn)一步可得出傳遞的聲波信息。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于石英晶體諧振器的高靈敏度傳聲器，包括振動(dòng)膜片、機(jī)械結(jié)構(gòu)、石英晶體諧振器、振蕩激勵(lì)電路、數(shù)據(jù)采集與處理電路；

所述振動(dòng)膜片受到聲波的壓力時(shí)，會(huì)隨著壓力的大小和頻率的不同而產(chǎn)生振動(dòng)；

所述機(jī)械結(jié)構(gòu)用于將振動(dòng)膜片產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為力f加載到石英晶體諧振器的振子(敏感元件)上，使得石英晶體諧振器產(chǎn)生頻偏，從而完成聲電轉(zhuǎn)換；

所述石英晶體諧振器的振子受力(或應(yīng)變)的作用時(shí)，其諧振頻率f0會(huì)隨力的改變而線性變化；

所述振蕩激勵(lì)電路為多諧振蕩器電路，可在上電后輸出頻率為f的矩形波；在接入石英晶體諧振器之后，其輸出矩形波頻率為石英晶體諧振器的固有諧振頻率f0；

所述頻率采集與數(shù)據(jù)處理電路包括頻率采集電路以及信號(hào)處理器，通過測量頻偏得到振動(dòng)膜片的振動(dòng)參數(shù)；分析聲波與振動(dòng)膜片產(chǎn)生振動(dòng)的關(guān)系，即可得出聲波的幅值和頻率等信息。

進(jìn)一步地，所述石英晶體諧振器由石英晶片(即振子)、電極和電極引線三部分組成；電激勵(lì)信號(hào)通過電極引線和電極加在石英晶片上，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)從電極上可以取到相應(yīng)的電信號(hào)；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與石英晶片的固有頻率f0相一致時(shí)，石英晶片將產(chǎn)生諧振。

進(jìn)一步地，制作石英晶片的石英材料選型應(yīng)綜合考慮獲取盡量大的力靈敏度、頻率工作范圍以及最佳的頻率—溫度特性，根據(jù)具體應(yīng)用選擇對(duì)應(yīng)的切形和加力方向。

進(jìn)一步地，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括外殼、固定連接裝置和外電極；機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀為長方體，兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面固定振動(dòng)膜片；振動(dòng)膜片與石英晶體諧振器通過固定連接裝置連接，并且石英晶體諧振器被固定連接裝置固定支承在機(jī)械結(jié)構(gòu)中；將石英晶體諧振器的電極引線與外電極焊接在一起并引出外殼。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明傳聲器依據(jù)石英晶體諧振器的力—頻效應(yīng)，即當(dāng)石英晶體諧振器的振子受力(或應(yīng)變)的作用時(shí)，諧振器的諧振頻率會(huì)隨力的改變而線性變化。本發(fā)明的核心為振動(dòng)膜片受到聲波的壓力時(shí)，會(huì)隨著壓力的大小和頻率的不同而產(chǎn)生振動(dòng)，將該振動(dòng)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力作用在石英晶體上，使得石英晶體諧振器產(chǎn)生頻偏，從而完成聲電轉(zhuǎn)換，通過測量頻偏即可得到膜片的振動(dòng)參數(shù)，進(jìn)一步可得出傳遞的聲波信息。本發(fā)明傳聲器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大、體積小的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為基于石英晶體諧振器的高靈敏度傳聲器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為機(jī)械結(jié)構(gòu)與石英晶體諧振器連接示意圖，(a)為俯視圖，(b)為左視圖，(c)為前視圖；

圖3為振蕩激勵(lì)電路示意圖；

圖中，1-石英晶體，2-電極，3-電極引線，4-外殼，5-固定連接裝置，6-外電極，7-振動(dòng)膜片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所述實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供一種基于石英晶體諧振器的高靈敏度傳聲器。如圖1所示，該傳聲器包括振動(dòng)膜片、機(jī)械結(jié)構(gòu)、石英晶體諧振器、振蕩激勵(lì)電路、頻率采集與數(shù)據(jù)處理電路。

如圖2所示，為了提高整體系統(tǒng)的靈敏度，石英晶體1的材料選型應(yīng)綜合考慮獲取盡量大的力靈敏度、頻率工作范圍以及最佳的頻率—溫度特性。在石英晶體的所有切型中，只有at切型(xyl)-30°切型和bt切型具有零溫度系數(shù)點(diǎn)，即在某個(gè)溫度值上，諧振器對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)為零，在這一溫度值附近，頻率隨溫度的變化較小。而在上述三種切型中，at切型具有最大的力靈敏度。因此，本實(shí)施例選用的石英晶體1為at切型。

如圖2所示，所述石英晶體諧振器振動(dòng)形式為厚度剪切模式，其諧振頻率可以表示為：

式(1)中，tx：石英晶體的厚度，n：諧波次數(shù)，ρ：晶體密度，c^*：彈性系數(shù)。

對(duì)于特定切型的石英晶體諧振器，式(1)還可以寫為：

式(2)中，n0為頻率常數(shù)。對(duì)于at切型，n0＝1661hz·m。

如圖2所示，所述石英晶體1受到厚度方向的徑向力f作用時(shí)，其諧振頻率將由原來的f0變?yōu)閒0+△f，△f與f呈線性關(guān)系，并且這種線性關(guān)系一直保持到f大到足以使諧振器產(chǎn)生機(jī)械破壞。

如圖2所示，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括外殼4、固定連接裝置5和外電極6。機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀為長方體，其左右兩側(cè)面固定振動(dòng)膜片7，其余側(cè)面為外殼4。振動(dòng)膜片7與石英晶體諧振器通過固定連接裝置5連接，并且石英晶體諧振器被固定連接裝置5固定支承在機(jī)械結(jié)構(gòu)中。將石英晶體諧振器的電極引線3與外電極6焊接在一起并引出外殼4。

如圖1所示，所述振動(dòng)膜片7受到聲波的壓力時(shí)，會(huì)隨著壓力的大小和頻率的不同而產(chǎn)生振動(dòng)。該振動(dòng)通過固定連接裝置5轉(zhuǎn)換成力f作用在石英晶體諧振器上，其在力—頻特性的影響下諧振頻率將產(chǎn)生變化，由f0變?yōu)閒0+△f，△f與f呈線性關(guān)系。

如圖3所示，所述振蕩激勵(lì)電路包括反相器g，反饋電阻rf以及耦合電容c。通過選取適當(dāng)?shù)姆答侂娮鑢f值，就可以使反相器g的靜態(tài)工作點(diǎn)位于電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)。該電路為自激振蕩電路，因?yàn)闆]有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)電路。具體地說，如果一開始多諧振蕩器處于0狀態(tài)，那么它在0狀態(tài)停留一段時(shí)間后將自動(dòng)轉(zhuǎn)入1狀態(tài)，在1狀態(tài)停留一段時(shí)間后又將自動(dòng)轉(zhuǎn)入0狀態(tài)，如此周而復(fù)始，輸出矩形波。

如圖3所示，石英晶體具有優(yōu)越的選頻性能。將石英晶體引入普通多諧振蕩器就能構(gòu)成具有較高頻率穩(wěn)定性的石英晶體多諧振蕩器。普通多諧振蕩器是一種矩形波發(fā)生器，上電后輸出頻率為f的矩形波。根據(jù)傅里葉分析理論，頻率為f的矩形波可以分解成無窮多個(gè)正弦波分量，正弦波分量的頻率為nf(n＝1，2，3，.....)，如果石英晶體的串聯(lián)諧振頻率為f0，那么只有頻率為f0的正弦波分量可以通過石英晶體形成正反饋，而其它正弦波分量無法通過石英晶體。頻率為f0的正弦波分量被反相器轉(zhuǎn)換成頻率為f0的矩形波。當(dāng)石英晶體諧振器的諧振頻率變化為f0’時(shí)，振蕩電路輸出的矩形波頻率也會(huì)變化為f0’。

如圖1所示，頻率采集與數(shù)據(jù)處理電路，包括單片機(jī)及其外圍電路。頻率測量由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)值經(jīng)過數(shù)字濾波和歸一運(yùn)算后，便可得到頻率測量結(jié)果。根據(jù)頻率測量結(jié)果可得到振動(dòng)膜片的振動(dòng)參數(shù)，分析聲波幅值和頻率與振動(dòng)膜片產(chǎn)生振動(dòng)的關(guān)系，可進(jìn)一步得出聲波的幅值和頻率信息，達(dá)到傳聲效果。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。