基于听觉主动放大机制的声传感器的制作方法

文档序号:14943076发布日期:2018-07-13 21:34

本发明属于声音采集设备领域,更具体地,涉及一种声传感器。



背景技术:

随着科学技术的发展与进步,人们利用科技感知外界的要求日益提高,传统传感器的性能指标已经无法满足人们在医疗、军事、遥感等领域的需求,高灵敏度的声传感器也是传感领域关注的热点。传统的电容声传感器,亦或是抗电磁干扰能力优越的光纤声传感器往往是通过调整声敏感振膜的材质、尺寸、厚度等参数调整传感器性能,提高传感器灵敏度。但是这些方法中,振膜对声激励的响应都是被动的,其性能由传统的被动振动理论决定,无法再进一步提高。

听觉外周的相关研究表明,听觉毛细胞能够通过胞体的电致伸缩以及纤毛的摆动调制基底膜的振动,以补偿基底膜在淋巴液环境中的粘滞阻力,使基底膜成为一个处于分叉点的Hopf振子,从而对微弱的声信号产生主动放大效应,实现听觉系统的高灵敏声传感。



技术实现要素:

针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于听觉主动放大机制的声传感器,旨在现有技术的基础上进一步提高声传感器对微弱信号的响应灵敏度低的问题。

本发明提供了一种基于主动放大机制的声传感器,包括:用于响应声场变化的振膜,位移探测模块和主动调制模块;所述位移探测模块的输入端与所述振膜相连,用于探测所述振膜在声场中的位移响应x(t);所述主动调制模块的输入端与所述位移探测模块的输出端连接,所述主动调制模块的输出端与所述振膜连接,用于根据所述响应信号x(t)产生主动激励F(t)并调制所述振膜的振动。

更进一步地,所述主动调制模块包括:调制电路和主动激励模块;所述调制电路用于根据振膜实时反馈的信号产生调制信号;所述主动激励模块用于根据调制信号产生主动作用力并调制振膜振动。

更进一步地调制电路控制所述主动激励模块对所述振膜产生主动激励F(t),使得振膜成为一个处于临界状态(分岔点)的Hopf振子。

进一步优选地,可使用大小为的主动激励F(t);其中,x为振膜该部位位移,γα为主动激励系数,可调参数B为电致伸缩系数,可调参数x0为振膜平衡位置偏移补偿。

更进一步地,主动激励模块包括:压电陶瓷和弹性纤维,压电陶瓷的一端连接至调制电路的输出端,弹性纤维的一端连接至所述压电陶瓷的另一端,弹性纤维的另一端连接所述振膜;所述压电陶瓷根据所述调制电路的信号进行伸缩并带动弹性纤维运动,从而调制振膜的振动。

更进一步地,压电陶瓷根据调制信号s(t)产生电致伸缩效应,带动弹性纤维振动,从而对振膜施加主动激励F(t)。

更进一步地,声传感器还包括:信号处理模块,信号处理模块的输入端与所述位移探测模块的输出端连接,用于对调制过后的响应信号进行处理后获得声传感信号y(t)。

与被动声传感器相比,本发明对声压级较小的信号有着显著的放大作用,因此能够显著提高传感器对微弱信号的响应,从而提高灵敏度。

附图说明

图1为主动声传感器结构示意图。

图2为主动声传感器响应幅度随声音强度的变化图像。

图3为主动声传感器单频信号提取功能与被动系统的对比图像。

图4(a)为参数x0取不同值时,主动激励F(t)与振膜响应x的关系图像;图4(b)为参数x0取不同值时,在主动激励F(t)作用下,振膜响应与外界声信号声压级的关系图像。

图5(a)为参数B取不同值时,主动激励F(t)与振膜响应x的关系图像;图5(b)为参数B取不同值时,在主动激励F(t)作用下,振膜响应与外界声信号声压级的关系图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

为了提高现有被动声传感器灵敏度,本发明模拟耳蜗毛细胞对基底膜的主动放大作用,结合传统振膜声传感器,如电容传声器、振膜光纤传声器,构建了有主动机制参与的新型主动声传感器。分析表明,主动声传感器具有高灵敏度,以及对噪声中特定频率微弱周期性信号具有良好检测能力,采用的具体技术方案如下:

(1)对于以振动作为声激励响应的声传感器,以主动激励使其成为一个主动振子而不是传统声传感器的被动振子。

(2)主动激励使传感器成为一个停留在分叉点的Hopf振子。

(3)主动激励的产生可以采用如下方案。

以耳蜗相关生理实验结果为基础,我们提出一种与速度有关的,受外毛细胞电致伸缩,以及纤毛运动调控的自适力fa。其简化表达形式如下:其中z为基底膜该部位位移,γβ为自适力系数,C为外毛细胞电致伸缩系数,z0为外毛细胞原长。本发明类比耳蜗中自适力的形式建立了声传感中用于调制振膜振动的主动激励其中x为声传感振膜该部位位移,γα为主动激励系数,可调参数B为电致伸缩系数,可调参数x0为振膜平衡位置偏移补偿。根据实际情况调整上述参数,即可得到所需主动激励。例如调整参数x0,B可以改变主动激励F(t)随振膜振动响应x的变化趋势,从而产生不同的传感响应结果。详见图4,图5。

(4)主动调制模块设计

主动调制模块包含调制电路以及主动激励模块。调制电路将振膜实时反馈的信号根据(3)中主动力表达形式产生调制信号;主动激励模块根据调制信号产生主动作用力调制振膜振动。(例如可由压电陶瓷以及弹性纤维构成的主动激励模块,其中弹性纤维两端分别与压电陶瓷以及振膜相连。压电陶瓷根据调制电路信号伸缩,并带动弹性纤维运动,从而调制振膜的振动)。在传统声传感器的基础上加入主动调制模块设计即可得到新型的主动声传感器。

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明。

本发明在耳蜗中毛细胞主动力产生机制认识的基础上,建立了耳蜗信号处理的主动动力学模型,并利用该模型原理设计出基于毛细胞主动放大机制的新型主动声传感器。该传感器模拟毛细胞对基底膜的主动放大调控作用,通过引入主动放大调控模块来调制声传感器振膜,补偿空气阻力,使其类似耳蜗中的基底膜,成为一个Hopf振子,从而提高声传感灵敏度。与此同时,该传感器还对噪声中特定频率的周期性信号具有良好的检测作用,因此也可以用于水声,军事等领域的噪声中微弱信号探测。

如图1所示,基于主动放大机制的声传感器包括:用于响应声场变化的振膜,位移探测模块(如电容或光纤位移探测模块),主动调制模块,以及后续的信号处理模块。其中位移探测模块一端与振膜相连以探测振膜在声场中的位移响应x(t),另一端与主动调制模块和信号处理模块相连,用于传递探测到的响应信息。主动调制模块分别与位移探测模块、振膜相连,根据从位移探测模块中接收到的响应信号产生主动激励F(t)调制振膜的振动。信号处理模块用于对调制过后的响应信号进行相应的信号处理(如滤波等)得到所需的声传感信号y(t)。

主动调制模块包括:调制电路以及主动激励模块。其中调制电路用于产生调制信号s(t),目的是控制主动激励模块对振膜产生大小为的主动激励F(t)。主动激励模块可由压电陶瓷,以及弹性纤维构成。压电陶瓷根据调制信号s(t)产生电致伸缩效应,带动弹性纤维振动,从而对振膜施加主动激励F(t)。

基于主动放大机制的声传感器的具体工作流程如下:首先通过传统声探测装置(例如电容或光纤探测)探测振膜在声场中的实时振动信号x(t)。之后主动调制模块中的调制电路根据振膜的实时响应信号x(t)产生调制信号s(t)以控制主动力作用装置产生主动激励F(t)(例如产生相应的电信号,使压电陶瓷发生伸缩形变)对振膜振动进行实时主动调制。最后经过信号处理模块处理后即可获得传感信号y(t)。如图4(a)所示主动激励F(t)的大小随着振膜响应幅度的减小而增大。分析可知当外界声信号较小时,主动调制模块将产生较大的主动激励,减小系统的有效阻尼,实现对小信号的放大作用,提高声传感的灵敏度。

图2主动系统与被动系统响应随声音强度变化图。如图所示,与被动声传感器相比基于主动放大机制的声传感器对声压级较小的信号有着显著的放大作用,因此能够显著提高传感器对微弱信号的响应,从而提高灵敏度。

图3为主动声传感器单频信号提取功能与被动系统的对比图像,图中带有十字标志的实线表示主动系统在425hz处的响应值随正弦信号幅值的变化关系曲线,带有米字标志的实线表示被动系统在425hz处的响应值随正弦信号幅值的变化关系曲线。外部声场如下式所示Fw(t)=Asin(2πft)+wgn,包含一正弦信号与恒定的高斯白噪声。逐步增加正弦信号幅度,对比主动系统与被动系统谁先将正弦信号提取出来。从图中看出,主动系统在正弦信号幅度为100dB时就能将其提取出来,被动系统需要在正弦信号为300dB时才能提取出来,因此可以看出主动声传感对特定频率的周期信号有良好的放大作用。

图4(a)为参数x0取不同值时,主动激励F(t)与振膜响应x的关系图像;图4(b)为参数x0取不同值时,在主动激励作用下,振膜响应与外界声信号声压级的关系图像;从图4(a)中可以看出,改变参数x0,可以改变主动激励F(t)的大小,从而影响传感响应情况。从图4(b)中可以看出x0越大,传感器对声信号声压级主动放大范围越大。

图5(a)为参数B取不同值时,主动激励F(t)与振膜响应x的关系图像;图5(b)为参数B取不同值时,在主动激励作用下,振膜响应与外界声信号声压级的关系图像;从图5(a)中可以看出,改变参数B,可以改变主动激励F(t)的大小,从而影响传感响应情况。从图5(b)中可以看出B越小,传感器对声信号声压级主动放大范围越大。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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