专利名称：仿直翅目鸣虫翅膜超微结构的声学传感器设计方法
仿直翅目鸣虫翅膜超微结构的声学传感器设计方法技术领域
本发明属传感器设计，特别涉及声学传感器的设计方法。
技术背景
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>>fo)，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<< fo)，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(见图幻。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。3
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(1 式或(17)式确定传感器敏感元件 表面细微结构面积&或&，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。
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(Q值<i/V5)。
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O
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
权利要求
1.仿直翅目鸣虫翅膜超微结构的声学传感器设计方法，其特征是由下述步骤实现一、首先要确定相应的表面结构平滑的传感器的设计各项指标，称为原型传感器.原 型传感器决定了待设计制作传感器的基本类型、传感器各组成部分所用材料、组成方式、表 面整体结构、决定敏感元件的中心频率、Q值调整起点、等效振动质量；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，即高Q值采取下凹结 构，低Q值宽带传感器采取上凸结构； 三、根据目标Q值，由具体实施方式
中13式
全文摘要
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。
文档编号H04R1/28GK102036143SQ20101051764
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者任炳忠, 刘侠, 刘斐, 尚利娜, 王双维, 王寅亮 申请人:东北师范大学