专利名称：超谐振式声传感器的制作方法
技术领域：
本发明创造涉及一种声传感器，特别是关于在超谐振区工作的中高频声传感器。
现有声传感器，可分为宽带声传感器和窄带超声传感器两类。传感器设置有受激振动膜片4，振动膜片上附加有敏感件3，敏感件感受振动膜片的振动，产生和输出相应的电信号，其工作机理是半径为R的圆形振动膜片4为一种典型的周边固定的单自由度振动体，其固有角频率可由下式描述ω0=xNSR2Et312(1-μ2)ρA----(1)]]>(见《机械设计手册》第一卷P6-23)，式中，αNS——振型常数，E——弹性模量，t—膜片厚度，R——膜片半径，μ—泊松比，ρA——单位面积质量。
该系统受激发生“受迫振动”，当激励频率为ω时，定义“频率比”λ＝ω/ω0，则有受迫振动的振幅X=Xof(1-λ2)2+(2λζ)2---(2)]]>式中Xof＝F/K，是在静力作用下的系统静位移。
ζ称阻尼因子或阻尼比，是材料的粘性阻尼系数c与临界阻尼系数ce之比；且有ζ=c/ce=c/(2Km);]]>c为实际粘性阻尼系数，ce为临界阻尼系数，K为刚度，m为质量。阻尼因子与阻尼损耗因子有η＝2ζ的简单关系。通常可以用半功率带宽来估计系统的阻尼，ζ≈(ω2-ω1)/2ω0。阻尼与共振频率是决定传感器使用频率范围的两个最主要的参数。
X/Xof称为“振幅比”，它与振动角频率比(λ＝ω/ω0)及阻尼因子(之间有附图2所示的关系，由图可见阻尼因子对振动响应特性的影响很大谐振点处的“振幅比”随阻尼因子的增大而迅速下降，且随阻尼因子增大谐振峰向λ＜1的区间移动。低阻尼时，谐振点处的振幅很大，因此传感器一般应避开在谐振点区域工作。
现有声传感器的振动膜片通常用金属材料制作，金属材料的损耗因子η一般较低，钢铁类为(1～6)·10-4，金属中内阻尼高的材料有磁钢、镁钴合金、55/45镍钛合金，70/30锰铜等，但这些材料一般均较昂贵，有的加工性不好，其ζ值一般仍在0.1～0.3之间，而金属材料的弹性模量值却较高，一般为数百GPa级，因此现有金属振动膜片的声传感器，其片厚一般在0.5mm以下，相对片厚t/2R值在0.01～0.03范围。其设计不得不凭借增大ω0值的同时，将工作区压缩于λ＜1的“亚谐振区”中靠低端的一段区间，为拓宽传感器工作频带，为使传感器有较高的灵敏度，将振动膜片厚度与其直径之比的相对片厚降至甚小的0.01数量级，依靠振动膜片材料较高的弹性模量和刚度，来使传感器维持较高的固有频率，如膜片厚约0.2mm，片径为20mm左右的声传感器，其固有频率在5～8KHz范围，但正处在通常所需的工作频率范围，故工作频带仍极大地受到限制，而且固有频率ω0的增大，意味着片厚或弹性模量值的增大即振动膜片刚度增加，因为膜片的刚度大约与弹性模量和厚度的平方成正比，有K∝Et2。而刚度增加意味着“静变位”值Xof＝F/K下降，这会导致传感器的灵敏度下降。
因此，现有宽带声传感器的频率范围一般是声频范围，有可用频率范围低和响应不平坦的特点，能兼顾声频和超声频的宽频带传感器不仅价格昂贵而且灵敏度低。窄带超声传感器工作频带是以ω0为中心的一个窄带，其频带一般极窄，仅数百Hz，虽然价格低廉但耐久性，可靠性和通频带难如人愿。
本实用新型的目的，是设计一种用于中高频带，其频率范围，响应特性，灵敏度及造价等优于现有产品的声传感器。
基于以上分析，对现行声传感器的增大ω0、使传感器工作于亚谐振区的设计思想反其道而行之；采用阻尼因子值0.2＜ζ＜1的高阻尼和低弹性模量(E值在几百MPa以下)的材料制作振动膜片，即使在片厚增大至数倍于现有传感器振动膜片厚度(如t/2R值在0.05～0.2范围)的情况下，仍能十分有效地进一步降低膜片的固有频率和刚度，从而使灵敏度也相应提高。实现压低固有频率的同时，使传感器工作于λ＞1的超谐振区的中高频的宽阔频带范围。
氟塑料就是满足这种性能要求的材料，其损耗因子η＝(6～9)×10-1，高于钢铁材料达2～3个数量级，其弹性模量为数百MPa而远低于金属的数百GPa。
由于膜片使用相对高阻尼、低弹性的材料制作，不仅使谐振峰值降低，且谐振峰向λ＜1的区间移动，并使膜片的固有频率和刚度下降和传感器工作于超谐振区宽阔区间，较工作于亚谐振区，不仅工作频带大为拓展，并因采用了信号微分放大处理电路，能获得较已有工作于亚谐振区的传感器更为良好的频响特性，有更高的灵敏度等诸多效果，振动膜片用氟塑料制作，还有成本低，抗腐蚀性好的优点。
以下结合附图作进一步说明
图1所示振动膜片4通过螺纹联接头2，螺接并加胶密封地安装在座体1上，传感器前端设置接收罩6，以调节和改善传感器的指向性。
振动膜片受迫振动，其频响特性见式(2)描述，由于工作于λ＞1的超谐振区及使用高阻尼材料，当λ＞＞1时，式(2)可近似简化为X=Xofλ2=Aω2---(3)]]>可见，在超谐振区，位移振幅X是一个与频率比λ或角频率的ω的平方成反比的函数，则应有<p>型煤中粘结剂的用量如果太少，其抗压强度不够高，用量多了虽然强度增高，但灰分增加较多，又不经济。一般用量是，煤矸石5～9％，木质素磺酸钙0.3～1.5(重量百分数)。最佳用量煤矸石5～7％，木质素磺酸钙为0.5～0.7％。
型煤的制备方法，包括1、将原料煤粉碎至3毫米以下。
2、与粘结剂按比例掺混，加水，搅拌均匀，成型前的混合料含水率为9～12％。
3、送对辊机冷压成型，成型压力为250～400kg/cm2。
4、干燥。
以下结合实施例对本发明作进一步说明原料煤及煤矸石的分析结果，列于下表
实施例1型煤的配比为京西大台矿粉煤92.3份，王平村矿煤矸石7份，木质素磺酸钙0.7份，按混合料总含水量为9-10％加水<p>q＝Q(x)sin(ωt)＝(A/ω2)sin(ωt)所以有i＝dq/dt＝(A/ω2)cos(ωt)·ω＝(A/ω)cos(ωt)u＝i·R2＝(A/ω)·R2·cos(ωt)由此可见，经内置电路一次微分处理后降低了频率对输出信号影响，传感器输出的高频特性也得到了改善，展宽了传感器的频带。理论上，如果对输出信号再进行一次微分，可以得到一个不受频率因子影响的频率特性良好的声学传感器。
Uo＝＝du/dt＝A·R2·sin(ωt)(不考虑符号)。
PNP晶体管V2的基极接到V1的集电极，其发射极电位计RP上的交流电压等于u，调节RP，使大容量的电容器C2旁路一部分电阻值，则剩下的电阻值变小，就改变了流过它的电流IO。输出电流IO存在于电源供电线VI上，由于直流电源供给和交流电流输出共用电源线和地线，从而实现了“两线制”。本实施例处理电路5是基于对电量微分和输出电流的，我们称之为“微分式两线制电流输出放大器”。
改变供电的极性时，只需将V1(NPN)、V2(PNP)晶体管互易位置即可。
当使用电阻应变片作敏感件时，改变图3电路的参数而不改变其结构，也可构成“电压型微分式两线制电流输出放大器”(5)。其特征是，低阻值的应变片3直接并接在电阻器R1上，调整R2～R4，使应变片上的电压小于等于规定的供电电压，而V1不饱和；C1用较小的电容量，使ω＞ω0时的应变片信号电流取决于C1的容抗XC1＝1/(ω·C1)此时，V1发射极输入阻抗RF是RF＝REB+(XC1∥R3∥R4)使XC1远小于R3、R4的并联值而远大于V1的共基极输入阻抗REB，则RF＝XC1＝1/(ω·C1)因谐振片的振动幅度在ω＞ω0时是频率ω2的反比例函数，因此，应变片的信号交流电压UI也是频率ω2的反比例函数UI＝A/ω2UI流向基极的电流是IF＝UI/RF＝UI/XC1＝(A/ω2)·(ω·C1)＝(A/ω)·C1它导至应变片流向V1集电极的电流是
IJ＝IF·β＝(A/ω)·β·C1式中β是晶体管V的共发射极电流放大系数。由于应变片是有内阻的器件，其输出电流是有限的，其输出电流的1/(β+1)流入基极，该输出电流的β/(β+1)流向集电极，因此，应用高增益的晶体管V时，例如共基极电流放大系数β＞100时，电路有良好的稳定性。
权利要求1 一种超谐振式声传感器，含有金属座体(1)、周边固定的圆形振动膜片(4)，装设在振动膜片(4)内侧的敏感件(3)和相应的输出输入电线，其特征在于振动膜片(4)用阻尼因子值为0.2＜ζ＜1的和弹性模量数百MPa以下的材料制作，通过连接头(2)与座体(1)密封固联。
2 按权利要求1所述的超谐振式声传感器，其特征是振动膜片(4)用氟塑料制作，经螺纹连接头(2)与座体(1)螺接加胶密封固联，传感器前端设置了兼有调节指向性和保护振动膜片的接收罩(6)。
3 按权利要求1、2所述的超谐振式声传感器，其特征是传感器内设置有对敏感件(3)相应的信号进行微分放大处理的电路(5)。
4 按权利要求3所述的超谐振式声传感器，其特征在于微分放大处理电路(5)是两线制微分电流输出放大器，其电路含有电阻器R1～R4，晶体管V1、V2、电位计RP、电容器C1、C2；R3、R4对V1偏置，R4与C1并联接地，V1的发射极接R1，R1的另一端接地，R2的一端接V1的集电极，另一端接供电线VI，敏感件3的一端接地，另一端接V1的发射极，V2的基极接到V1的集电极，发射极经电位计RP接供电线VI，电容器C2与RP并接在供电线VI上。
专利摘要超谐振式声传感器,用氟塑料制作的谐振膜片4经联接头部2与座体1密封固连,工作于ω>ω。的超谐振区的中、高频宽阔频带,敏感件3的电信号经内置处理电路5输出。具有优良的频率响应、灵敏度、指向性和防腐蚀性,造价较低。克服了现有宽带声传感器频率范围低、响应不平坦、或价格昂贵、灵敏度低和窄带超声传感器的带宽与耐久性不如人意的缺点,是一种性能优良、极具前景的声传感器,已制作小批样件,效果良好。
文档编号B06B1/10GK2275484SQ9624273
公开日1998年3月4日 申请日期1996年12月30日 优先权日1996年12月30日
发明者唐德尧, 殷锋, 王巍松 申请人:中国航空工业总公司第六○八研究所