仿直翅目鸣虫翅膜超微结构的声学传感器设计方法

摘要

本发明属传感器设计，特别涉及声学传感器的设计方法。为了克服现有声学传感器复杂、不利于传感器小型化的的不足，提出一种仿直翅目鸣虫翅膜的声学传感器设计方案，该方案通过对声学传感器敏感元件表面细微结构的设计确定Q值，使传感器的部分结构成为冗余。既可以提高传感器Q值，增加传感器灵敏度，又可以降低Q值，加宽传感器相应带宽，特别是对于宽带传感器，可以去除声学传感器现有的阻尼结构，大大缩小声学传感器的体积。

说明书

技术领域

本发明属传感器设计，特别涉及声学传感器的设计方法。

背景技术

一、声学传感器设计基本方法

为了得到所需声学传感器的频率特性，特别是宽带传感器较平直的频响特性，往往采取三种设计方案。一是信号处于传感器系统的劲度控制区(f＞＞f₀)，使得信号的幅度响应与频率无关；二是信号处于传感器系统的质量控制区(f＜＜f₀)，使得信号的加速度响应与频率无关；这两种控制方案属于失谐控制，频响曲线对称性较差。第三种控制方案是使信号处于传感器系统的力阻控制区，这种控制方案频响曲线对称性好，通过增大力阻而减小力学品质因数Q值，可以实现较宽的速度响应带宽。但是，这种方案需要附加复杂的阻尼结构，不利于传感器的小型化。

二、直翅目鸣虫翅膜超微结构与发声频率特性的关系

研究发现，以翅膜振动作为发声器的直翅目鸣虫的鸣叫声可以分为两大类，一类(主要是蟋蟀科)呈现明显的离散谱(见图1)，即具有较高的Q值；另一类(主要是螽斯科)呈现低Q值的连续谱噪声(见图2)。由电镜照片发现，蟋蟀科样本和螽斯科样本的翅膜表面超微结构明显不同。蟋蟀科的翅膜表面超微结构分布下凹坑体(见图3)，这种下凹坑体结构使得坑体表面处速度梯度变小，进而使该处粘滞阻力变小，使得蟋蟀科翅膜具有较大的Q值，呈现出离散谱发声特性。螽斯科的翅膜表面超微结构分布乳突状突起物或条状突起物(见图4)，这些突起物一方面使翅膜表面处速度梯度变大，切向摩擦应力变大；另一方面使空气流体流经的路程加长，相当于增加了空气流体与翅膜的有效接触面积，从而使该处粘滞阻力变大，因此螽斯科翅膜具有较小的Q值，呈现宽带的广谱噪声特性。

综上所述，直翅目鸣虫是通过采取不同的翅膜表面超微结构而实现对Q值的确定，相当于无专门阻尼结构的力阻控制声学发射换能器。根据声学发射换能器与接收换能器(传感器)的互易性原理，直翅目鸣虫翅膜超微结构对发声特性的影响可以启发人类声学传感器设计的新思路。

发明内容

(1)要解决的技术问题

为了克服现有声学传感器复杂、不利于传感器小型化的的不足，本发明提出一种仿直翅目鸣虫翅膜的声学传感器设计方案，该方案通过对声学传感器敏感元件表面细微结构的设计确定Q值，使传感器的部分结构成为冗余。本发明既可以提高传感器Q值，增加传感器灵敏度，又可以降低Q值，加宽传感器相应带宽.特别是对于宽带传感器，可以去除声学传感器现有的阻尼结构，大大缩小声学传感器的体积。

(2)技术方案

方案中举例应用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明由下述步骤实现：

步骤一，本发明主要通过对现有传感器敏感元件表面细微结构的改良设计而实现.因此，首先要确定相应的表面结构平滑的传感器设计各项指标，我们称之为原型传感器.原型传感器决定了待设计制作传感器的基本类型(如压电式、磁致伸缩式等)、传感器各组成部分所用材料、组成方式(如单元传感器、线阵传感器、面阵传感器等)、表面整体结构(如平面、柱面、球面等)、决定敏感元件的中心频率、Q值调整起点、等效振动质量等。

步骤二，根据设计目标，确定传感器敏感元件表面细微结构基本特征。高Q值采取下凹结构，低Q值宽带传感器采取上凸结构。

步骤三，根据目标Q值，由具体实施方式中(12)式或(17)式确定传感器敏感元件表面细微结构面积S_b或S_a，并由此确定下凹或上凸结构具体参数。由于影响传感器特性的因素错综复杂，理论设计的参数只能作为参考。

步骤四，去除由于新型设计形成的相应传统传感器结构的冗余部分，制作传感器样品。

步骤五，样品测试，调整和设计方案。此步骤可能需反复进行多次。

有益效果：

该方案通过对声学传感器敏感元件表面细微结构的设计确定Q值，使传感器的部分结构成为冗余。特别是对于宽带传感器，可以去除声学传感器现有的阻尼结构，大大减小声学传感器的体积。

附图说明

图1是迷卡斗蟋(蟋蟀科)鸣叫声的频谱，可以看出谱线上有5个明显的峰值。由测量可得其Q值约8.6～13.6之间。

图2是乌苏里姬螽(螽斯科)鸣叫声的频谱，谱线上看不出明显的峰值，呈现宽带噪声特征

图3是迷卡斗蟋(蟋蟀科)翅膜的电镜照片，其超微结构是五边形下凹结构。

图4是乌苏里姬螽(螽斯科)翅膜的电镜照片，其超微结构分布着乳突状突起物。

图5是表面结构为平面的蜂鸣器的实物照片。

图6是将图5中蜂鸣器表面粘接直径0.340mm漆包线后形成条状凸起表面结构后的实物照片。

图7是蜂鸣器表面为平面结构时冲击响应的频谱曲线，箭头所指处有一个明显的峰(3375Hz)，强度约为20dB。此即为该蜂鸣器的发声频率，表明该蜂鸣器为Q值较高的窄带发声器。

图8是同一蜂鸣器表面粘接条状突起物后冲击响应的频谱曲线，箭头所指处的峰已不复存在，并且频响曲线变得较为平坦，表明此时该蜂鸣器已成为Q值较低的宽带发声器。

图9是为实现宽带频率特性，传统传感器由于增加阻尼背衬而形成的外观结构实物照片。

图10是由蜂鸣器、信号发生器和录音笔组成的测试系统实物图。

具体实施方式

具体实施方式中举例应用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

1、原型敏感元件设计

原型敏感元件是指表面平滑的敏感元件，它是仿直翅目鸣虫翅膜声学传感器敏感元件的基础模板。原型敏感元件决定高、低Q值敏感元件的中心频率、Q值调整起点、等效振动质量等。以圆形膜声学传感器敏感元件为例，周界固定的圆形膜对称振动简正频率

$f_n=\frac{{\mu }_n}{2\mathrm{\pi a}}\sqrt{\frac{T}{{\sigma }_0}}---\left(1\right)$

式中μ_n为零阶贝赛尔函数的第n个根值，T为膜中张力，σ₀为圆膜面密度，a为圆膜半径，并设圆膜厚度为h₀。因此，可以通过调整T、σ₀和a实现敏感元件简正频率的设定。圆形膜声学传感器敏感元件的力学品质因数

$Q_n=\frac{{2\mathrm{\pi f}}_n{M}_n}{R}---\left(2\right)$

式中M_n为圆膜有效质量，一般的

$M_n={\mathrm{\pi a}}^2{\sigma }_0{J}_1^2\left({\mu }_n\right)---\left(3\right)$

其中J₁(μ_n)是1阶贝赛尔函数。(2)式中R是圆膜振动的阻尼系数，它的主要来源即为膜振动时空气切向速度与膜表面的粘滞阻力。由粘性流体力学理论，圆膜做简谐运动时，空气流速随着到振动膜表面的距离按指数函数的规律减少

$v\left(y\right)={\mathrm{Ue}}^{-\sqrt{\frac{\mathrm{\rho \omega }}{2\eta }}y}---\left(4\right)$

式中U为振动膜表面空气流体切向速度(y＝0处)，ω＝2πf为振动膜振动圆频率，η为空气粘滞系数，ρ为空气密度。则振动膜表面(y＝0处)单位面积粘滞摩擦力

${\tau }_0=\eta \frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dy}}{|}_{y=0}=-U\sqrt{\mathrm{\eta \rho \omega }}{e}^{-\sqrt{\frac{\omega }{2\gamma }}y}{|}_{y=0}=-U\sqrt{\mathrm{\eta \rho \omega }}---\left(5\right)$

其中负号代表粘滞摩擦力方向与速度切向方向相反。设圆膜面积为S₀，所以圆膜受空气粘滞阻力

$R_0={\tau }_0{S}_0=-U\sqrt{\mathrm{\eta \rho \omega }}{S}_0---\left(6\right)$

(6)式代入(2)式，可得圆形膜原型敏感元件Q值

$Q_0=\frac{2\mathrm{\pi f}{M}_0}{R_0+R^{\prime }}---\left(7\right)$

其中R′是除空气粘滞阻力以外的阻尼(如内摩擦)。

具体设计步骤(以圆膜敏感元件为例)：

(1)确定传感器基频响应频率，由公式(2)设定T、σ和a。其中σ由材料种类和圆膜厚度决定，T由周界固定方式决定；

(2)实验测定按步骤(1)设计制作的敏感元件的频响曲线，由Q值的频域定义

$Q=\frac{f_0}{f_2-f_1}=\frac{f_0}{\mathrm{\Delta f}}=\frac{f_0}{B}---\left(8\right)$

式中f₁和f₂是频域曲线峰值f₀两侧幅度下降倍所对应的频率点，测出原型敏感元件的力学品质因素Q₀备用。

2、高Q值敏感元件设计

高Q值敏感元件设是通过在原型敏感元件表面增加下凹坑体而实现提高Q值的目的。

设膜表面下凹坑体深度值为b(b＞0)，公式(4)变为

$v_b\left(y\right)={\mathrm{Ue}}^{-\sqrt{\frac{\mathrm{\rho \omega }}{2\eta }}(y+b)}---\left(9\right)$

当y＝-b时，v_b(y)＝U。膜表面(y＝0处)单位面积粘滞摩擦力

${\tau }_b=\eta \frac{d{v}_b}{\mathrm{dy}}{|}_{y=0}=-U\sqrt{\mathrm{\eta \rho \omega }}{e}^{-\sqrt{\frac{\mathrm{\rho \omega }}{2\mathrm{\eta \gamma }}}(y+b)}{|}_{y=0}=-U\sqrt{\mathrm{\eta \rho \omega }}{e}^{-\sqrt{\frac{\mathrm{\rho \omega }}{2\eta }}b}---\left(10\right)$

由可得，τ_b＜τ₀。即膜表面下凹坑体结构使得该处单位面积粘滞摩擦力比平坦表面结构要小。

设膜表面下凹坑体有效面积为S_b，膜总面积为S₀。则膜表面单位面积平均粘滞摩擦力

${\bar{\tau }}_b=\frac{{\tau }_b{S}_b+{\tau }_0(S_0-S_b)}{S_0}={\tau }_0-({\tau }_0-{\tau }_b)\frac{S_b}{S_0}---\left(11\right)$

一般的，当b足够大时，τ_b→0，所以，圆膜所受粘滞阻力

$R_b={\bar{\tau }}_b{S}_0={\tau }_0(S_0-S_b)---\left(12\right)$

下凹坑体属于表面的细微结构，所以可以忽略其对总质量的影响。由此，高Q值敏感元件与原型敏感元件Q值之比

$\frac{Q_b}{Q_0}\approx \frac{R_0+R^{\prime }}{R_b+R^{\prime }}=\frac{{\tau }_0{S}_0+R^{\prime }}{{\tau }_0(S_0-S_b)+R^{\prime }}=\frac{R^{\prime \prime }}{R^{\prime \prime }-{\tau }_0{S}_b}---\left(13\right)$

其中R″＝R₀+R′。

具体设计步骤：

(1)根据基频频率值要求设计制作原型敏感元件，测量Q₀值，并计算R″；

(2)根据使用需要确定高Q值敏感元件指标Q_b；

(3)根据(13)式确定坑体总面积；

(4)根据S_b确定下凹结构其它参数

(5)按设计方案制作高Q值敏感元件，并通过实验测试效果，修改、优化参数。

3、低Q值敏感元件设计

低Q值敏感元件设是通过在原型敏感元件表面增加突出体而实现降低Q值的目的。

假设某突起物表面积为S_a，单位面积粘滞摩擦力为τ_a。考虑速度梯度变大等因素，一定有τ_a＞τ₀，若突起物所占投影面积为S′_a，则表面所受空气流体粘滞阻力

R_a＝τ₀(S₀-S′_a)+τ_aS_a

(14)

总质量

m′₀＝m₀+m_b

(15)

对于表面细微结构，可使m_b＜＜m₀，由此，m′₀≈m₀。低Q值敏感元件与原型敏感元件Q值之比

$\frac{Q_a}{Q_0}\approx \frac{R_0+R^{\prime }}{R_a+R^{\prime }}---\left(16\right)$

实验证明，τ_a＞＞τ₀，且S_a＞S′_a。由此，(16)可以简化为

$\frac{Q_a}{Q_0}\approx \frac{R^{\prime \prime }}{{\tau }_a{S}_a+R^{\prime \prime }}---\left(17\right)$

其中R″＝R₀+R′。

具体设计步骤：

(1)根据基频频率值的要求设计制作原型敏感元件，测量Q₀值，并计算R″；

(2)根据使用需要确定低Q值敏感元件指标Q_a，(例如，Q_a＝0.7)；

(3)由(17)确定S_a理论值，其中τ_a取经验值；

(4)根据S_a确定上凸结构其它参数。

(5)按设计方案制作低Q值敏感元件，并通过实验测试效果，修改、优化参数。

4、低Q值敏感元件设计原理性实验验证

为验证本申请技术上的合理性，申请人以低Q值敏感元件设计为例，进行了原理性实验验证，内容如下：

实验原理：敏感元件的Q值大小可以通过元件的频率响应曲线展现出来。测量元件的频率响应曲线的方法有许多，其中一种重要的方法就是通过测量元件的冲击响应而获得。本实验通过对两种不同表面结构的元件施加窄的电脉冲，用声信号采集设备采录下元件发出的声音信号(冲击响应)，并应用声音分析软件进行频谱分析，观察不同表面结构的频率响应，验证表面结构对元件Q值的影响。

实验设备：

①DG3121A型任意波形信号发生器(北京普源精电科技有限公司生产)。该设备可以产生正弦波、锯齿波、脉冲波、白噪声等多种信号，其中脉冲波的最小脉宽为8ns，脉冲最大重复周期可达10000s(最小重复频率为0.1mHz)。因此可做为非常理想的脉冲激励源。

②SONY-D50数码录音笔(索尼(中国)有限公司生产)。该设备是一款优质的高端录音笔，最高采样频率为96kHz，即响应频率达40kHz，信噪比93dB以上，通频带内波动＜2dB，灵敏度达-12dB，动态范围120dB。

③Cool Edit Pro 2.0声音处理软件。它是一个非常出色的数字音乐编辑器和MP3制作软件。利用Cool Edit Pro 2.0的声音分析功能，可以很方便地对声音文件进行时域分析、频域分析和时-频分析。

实验材料：压电式蜂鸣器。它是曾经广泛用于洗衣机计时报警等方面发声元件，是一种窄带声音发生器，发声频率一般3～4kHz(图5)；直径0.340mm漆包线若干。502胶水一瓶。

实验过程：

①由DG3121A型信号发生器产生脉宽10μs重复频率20Hz的窄脉冲信号，输出幅度为10V。将该信号加在蜂鸣器输入端，蜂鸣器产生重复频率20Hz的脉冲声。用SONY-D50数码录音笔采录蜂鸣器发声。

②用502将漆包线等间距粘在上述蜂鸣器(同一蜂鸣器)表面，使蜂鸣器表面形成条状凸起。(图6)

③由DG3121A型信号发生器产生脉宽10μs重复频率20Hz的窄脉冲信号，输出幅度为10V。将该信号加在蜂鸣器输入端，蜂鸣器产生重复频率20Hz的脉冲声。用SONY-D50数码录音笔采录蜂鸣器发声。

④将录制的两个声音文件应用Cool Edit Pro 2.0声音处理软件进行分析。

测试系统见图10。

结果讨论：实验测得本例Q₀＝1.75，R″＝2.51kg·s^-1，τ_a≈7×10⁴kg·s^-1·m^-2。取Q_a＝0.7，计算得τ_aS_a＝3.76，S_a＝5.37×10^-5m²＝53.7mm²，漆包线长度L＝S_a/πr≈100mm。本例所粘漆包线总长度为158.5mm。

图7是蜂鸣器表面为平面结构时冲击响应的频谱曲线，箭头所指处有一个明显的峰(3375Hz)，强度约为20dB。此即为该蜂鸣器的发声频率，表明该蜂鸣器为Q值较高的窄带发声器。图8是同一蜂鸣器表面粘接条状突起物后冲击响应的频谱曲线，箭头所指处的峰已不复存在，并且频响曲线变得较为平坦，表明此时该蜂鸣器已成为Q值较低的宽带发声器。对于相同频率特性的压电式发生器，为了实现宽带特性，传统做法是在压电结构后端加阻尼背衬，阻尼背衬结构使发生器体积变大。本例通过压电盖板表面条状突起实现宽带特性，省去了阻尼背衬结构。图9是为实现宽带频率特性，传统传感器由于增加阻尼背衬而形成的外观结构实物照片。