CN105203201B - 感声筒及应用其的声波传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感声筒及应用其的声波传感探头。该感声筒包括：壳体，其顶部中间位置形成一开口，该开口上方外围具有向上方延伸的环状凸起；以及振膜，其外侧边缘固定于环状凸起外侧的壳体上，其内侧被所述环状凸起支撑绷紧，形成振动区。本发明结构适宜于制作各种振膜形状和尺寸，尤其是小尺寸或非圆形振膜的感声筒，克服了采用传统的机械加工工艺结合常规的激光焊接技术制作小尺寸振膜感声筒难度大的缺点。

Description

感声筒及应用其的声波传感探头

技术领域

本发明涉及声波传感技术领域，尤其涉及一种感声筒及应用其的声波传感探头。

背景技术

声波传感器，也称传声器或麦克风，在工业、通信、交通、国防反恐、航空航天、乃至人们的日常生活等各行各业有着广泛应用。城市路灯声控、海洋水声探测、危险气体泄露探测、环境噪声监测、变压器运行状态声音监测、风暴来临前的次声探测、机器人耳朵、枪声定位、声波生命探测等都需要使用声波传感器。

现有的声波传感器主要有驻极体电容式和光纤式两种类型，它们利用金属振膜将待测声波转变为机械振动，再通过电容检测或光纤传感技术探测振膜的机械振动。这些声波传感器通常采用精密机械加工工艺结合激光加工技术制作而成。按照振膜大小，现有的声波传感探头具有1英寸、1/2英寸、1/4英寸、以及更小的1/8英寸(约3.2mm)四种典型尺寸。

通常情况下，振膜被制作成圆形，直径越大，探头响应的声波频率就越低，制作起来也比较容易。为了探测高频声波，需要使用直径较小的振膜。按照现有的声波传感器感声筒结构，圆形振膜的直径越小，探头制作难度越大。另一方面，现有的感声筒结构也不利于制备其他异形结构振膜的声波传感探头，而异形结构振膜有利于扩展探头的声波频率响应范围，改善探头性能。圆形振膜具有一个共同的缺点：其高度对称性使得声波传感探头的声波响应频率范围较窄。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种感声筒及应用其的声波传感探头，以简化感声筒的制作工艺，同时扩展其声频响应范围。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种感声筒。该感声筒包括：壳体1，其顶部中间位置形成一开口，该开口上方外围具有向上方延伸的环状凸起10；以及振膜2，其外侧边缘固定于环状凸起外侧的壳体1上，其内侧被环状凸起10支撑绷紧，形成振动区

优选地，本发明感声筒中，壳体1呈圆筒状，在该壳体1的内侧围成一容置腔；该壳体1的顶部中间位置形成开口，该开口的径向尺寸小于容置腔的径向尺寸，其中心轴线与容置腔的中心轴线重合。

基于上述感声筒，根据本发明的另一个方面，还提供了一种声波传感探头。该声波传感探头包括：上述的感声筒，其壳体的内壁设有内螺纹，其振膜朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，开口内侧形成感声腔；内芯4，其中心轴线位置开设有光纤通孔，其外壁设有与感声筒的壳体的内壁的内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过螺纹咬合和顶丝锁紧方式安装于感声筒的壳体内，其上表面低于振膜；光纤5，其一端面抛光，其经由内芯4的光纤通孔进入感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔。

优选地，本发明感声筒中，壳体包括：壳体本体11和升降结构12，其中：壳体本体11呈圆筒状；升降结构12可分离、可升降地固定于壳体本体11的内侧，其顶部沿壳体中心轴线方向形成一开口，在该开口上方外侧具有向上方延伸的环状凸起10；振膜2的外侧边缘固定于壳体本体11上，并被升降结构12上的环状凸起10支撑绷紧。

基于上述感声筒，根据本发明的另一个方面，还提供了一种声波传感探头。该声波传感探头包括：上述的感声筒，其升降结构12呈实心柱体结构，其中心轴线位置开设有光纤通孔，其振膜朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，开口的内侧形成感声腔；光纤5，其一端面抛光，其经由升降结构12的光纤通孔进入感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明感声筒及应用其的声波传感探头具有以下有益效果：

(1)其结构适宜于制作各种振膜尺寸，尤其是小尺寸振膜的感声筒，克服了采用传统的机械加工工艺结合常规的激光焊接技术制作小尺寸振膜感声筒难度大的缺点；

(2)可以制作非圆形振膜的感声筒，从而扩展感声筒的声波频率响应范围；

(3)使用灵活，容许制作大小一致而声频探测范围不同的麦克风系列，从而便于使用和替换；

(4)结构简单、制作容易，成本较低，大量实验证明本发明的感声探头灵敏度高，信噪比好，适合推广使用。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例感声筒的剖面结构图；

图2为图1所示感声筒中环状凸起部分的上视图；

图3为根据本发明一变形实施例感声筒中环状凸起围起的椭圆形开口的上视图；

图4为根据本发明另一变形实施例采用垂直截面为直角三角形的环形凸起的感声筒的剖面结构图；

图5为根据本发明第二实施例感声筒的剖面结构图；

图6为本发明又一变形实施例采用垂直截面为直角三角形的环形凸起的感声筒的剖面结构图；

图7为根据本发明第三实施例感声筒的剖面示意图；

图8为根据本发明第四实施例光纤传感探头的剖面示意图；

图9为根据本发明第五实施例光纤传感探头的剖面示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-壳体； 10-环状突起；

11-壳体本体； 12-升降结构；

2-振膜； 20-振膜反光面；

21-固定环 3-顶丝孔；

4-内芯； 5-光纤；

6-保护罩； 60-入声孔。

具体实施方式

本发明在壳体顶部中间位置设置向上的环状凸起，振膜固定于环状突起外侧的壳体上，并由环状凸起支撑绷紧，从而可以制备小尺寸或非圆形振膜的感声筒。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一、第一实施例

在本发明的第一实施例中，提供了一种感声筒。如图1所示，该感声筒包括：壳体1，其顶部中间位置沿壳体中心轴线方向形成一开口，该开口上方外围具有向上方延伸的环形凸起10；振膜2，其外侧边缘固定于所述环状凸起外侧的筒状壳体1上，其内侧主体部分由环状凸起10支撑绷紧，形成振动区。

以下对本实施例感声筒的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1，壳体1呈圆筒状，内壁设有螺纹，靠近顶部的侧壁开设有顶丝孔3，以便与声波传感探头的其他部分固定。在该壳体1的内侧围成一容置腔。同时，该壳体1的顶部中间位置形成一径向尺寸小于容置腔径向尺寸的开口。该开口的横截面呈圆形，其中心轴线与筒状壳体1的中心轴线重合。

本实施例中，壳体顶部的厚度为1mm，在其上形成开口的深度h1为1mm，但本发明并不以此为限。在本发明其他实施例中，该壳体顶部的厚度不小于0.5mm，以提供支撑力保持壳体顶部不变形。

除了圆形之外，开口的横截面形状还可以为如图3所示的椭圆形，或者是其他闭合连续的形状，本领域技术人员可以根据需要合理选择。

本实施例中，包括环状凸起10的圆筒状壳体1为一体化结构。该环状凸起10围出的面积比容置腔内侧围出的面积要小。就该环状凸起10来说，其垂直截面为矩形，其顶端位于一平面，该平面垂直于所述壳体1的中心轴线。该环状凸起10的宽度为0.5mm，高度h2为2mm，并且环状突起的高度不可调节。在本发明其他实施例中，环形凸起10的宽度小于2mm，高度h2不超过5mm。

可以理解的是，环形凸起的垂直截面还可以是其他形状，例如直角三角形、梯形或半圆形等。如图4所示，当环形凸起的垂直截面形状为直角三角形时，该直角三角形的一个锐角支撑绷紧振膜2，振膜2在环状凸起10内侧的部分形成振动区。

振膜2被环状突起10支撑绷紧之后，其外侧边缘通与其相连的固定环21由激光焊接技术固定在壳体1未收缩的顶端。振膜2在环状凸起10内侧的部分形成振动区。振动区内的振膜能够随周围声音产生可重复性的振动。振动区内的振膜朝向壳体内部的一侧具有金属反光面20。

一般情况下，壳体1和环状凸起10的材料为金属，包括：钢、钛、镍、铬、铜、铁、钨、钛合金、镍铬合金、镍铜合金、铁基合金。振膜2的材料为金属膜片，例如由以下材料中的一种制作的膜片：钢、钛、镍、铬、铜、铁、钨、钛合金、镍铬合金、镍铜合金、铁基合金。本实施例中，筒状壳体1和环状凸起10的材料为镍铜合金，振膜材料为镍。

二、第二实施例

在本发明的第二实施例中，提供了一种感声筒。不同于第一实施例的筒状壳体一体化结构，本实施例中壳体为分体式结构。

请参照图5，本实施例感声筒中，壳体包括：壳体本体11和升降结构12。其中，壳体本体11呈圆筒状，其内壁具有内螺纹。升降结构12同样呈圆筒状，其外壁具有外螺纹，该外螺纹与壳体本体11内壁的内螺纹相啮合，使升降结构12可分离、可升降地固定于壳体本体11上部的内侧。

同时，在壳体本体11上设置有顶丝3，用于在升降结构12上的环状凸起10将振膜支撑绷紧后将升降结构12的位置锁死，防止升降结构12上下活动。

其中，升降结构12的顶部形成一开口，在该开口上方外侧具有向上方延伸的环形凸起10。该开口的内侧形成感声腔。该环形凸起10的垂直截面为矩形，其顶端位于同一平面，该平面垂直于所述壳体的中轴线。环状凸起10顶端的端面宽度为0.5mm，高度为不小于2mm。由于环状凸起10形成于升降结构12的顶部，因此其可随升降结构12相对于壳体本体11上下移动。

同样，该环形凸起的垂直截面也可以为直角三角形、梯形、半圆形等形状。结合分体式结构的筒状壳体，并采用垂直截面为直角三角形的环形凸起的感声筒的剖面示意图如图6所示。

本实施例中，在安装振膜2时，首先通过激光焊接技术将振膜2的外缘固定于壳体本体11的顶端，然后通过调节升降结构12的高度，使环状突起10支撑绷紧振膜2，之后利用顶丝将升降结构12锁紧。

本实施例中，壳体本体11和升降结构12采用钛合金材料制备，振膜采用钛膜片材料制备。

为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

三、第三实施例

在本发明的第三实施例中，提供了一种感声筒。与第二实施例感声筒结构的区别在于：升降结构12为一实心结构。

请参照图7，本实施例感声筒中，升降结构12呈一顶部具有凹入腔的圆柱形状。同时，该凹入腔开口的上方外侧具有向上方延伸的环形凸起10。该环形凸起10的垂直截面为矩形。

升降结构12的外壁具有外螺纹，该外螺纹与壳体本体11内壁的内螺纹相啮合，使升降结构12可分离、可升降地固定于壳体本体11上部的内侧。

同样，本实施例中，在安装振膜2时，首先通过激光焊接技术将振膜2的外缘固定于壳体本体11的顶端，然后通过调节升降结构12的高度，使环状突起10支撑绷紧振膜2，之后利用顶丝将升降结构12锁紧。

同样，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

四、第四实施例

在本发明的第四实施例中，提供了一种应用第一实施例感声筒的光纤声波传感探头。如图8所示，该光纤声波传感探头包括：感声筒、内芯4、光纤5和保护罩6。

如图1所示，感声筒的壳体1的内壁设有内螺纹，其振膜2朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，所述开口内侧具有感声腔。

请参照图8，内芯4的中心轴线位置开设有光纤通孔，其外壁设有与感声筒的壳体的内壁的内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过螺纹咬合和顶丝锁紧方式安装于所述壳体内，其上表面低于振膜。

请参照图8，光纤5的一端面抛光，由壳体1外经由内芯4的光纤通孔进入感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔，光纤5通过胶水固定于内芯的光纤通孔。

请参照图8，保护罩被固定于壳体外侧并罩住振膜2，其顶部开设有入声孔60。

在感声筒中，环状突起的垂直截面为矩形，其顶端位于同一平面，该平面垂直于所述壳体的中轴线；其顶端的端面宽度为0.5mm，高度为2mm。环状凸起与筒状壳体为一体式结构，并且环状突起的高度不可调节。

五、第五实施例

在本发明的第五实施例中，提供了一种采用第三实施例感声筒的光纤声波传感探头。

如图9所示，该光纤声波传感探头包括：感声筒、光纤5和保护罩60。其中，感声筒的升降结构12中心轴线位置开设有光纤通孔，同时，其振膜2朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，所述开口内侧具有感声腔。

请参照图9，光纤5的一端面抛光，由壳体1外经由升降结构12的光纤通孔进入感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔，光纤5通过胶水固定于升降结构12的光纤通孔。

关于保护罩，其与第四实施例的保护罩结构和功能类似，此处不再重复描述。

同样，为了达到简要说明的目的，上述第四实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明感声筒及应用其的麦克风有了清楚的认识。

此外，应当理解的是，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)除了圆形或椭圆形之外，还可以采用其他形状的开口或环状凸起的整体形状；

(2)除了矩形和直角三角形之外，环形凸起的垂直横截面还可以是其他形状，例如：梯形、半圆形等等；

(3)环状凸起与壳体可以是一体式构造或分离式构造；

(4)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(5)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明通过调节壳体前端环状突起的直径，可以在金属薄膜直径较大的情况下获得有效振动直径很小的振膜，降低了工艺实现的难度；同时本发明结合光纤传感技术，因此可实现灵敏度高、频率响应范围宽的光纤声波传感器。此外还可用于制备电容式麦克风。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种感声筒，其特征在于，包括：

壳体(1)，其顶部中间位置形成一开口，该开口上方外围具有向上方延伸的环形凸起(10)；以及

振膜(2)，其外侧边缘固定于环状凸起外侧的壳体(1)上，其内侧被所述环状凸起(10)支撑绷紧，形成振动区；

其中，所述壳体包括：壳体本体(11)和升降结构(12)，其中：所述壳体本体(11)呈圆筒状；所述升降结构(12)可分离、可升降地固定于所述壳体本体(11)的内侧，其顶部沿壳体中心轴线方向形成一开口，在该开口上方外侧具有向上方延伸的环形凸起(10)；所述振膜(2)的外侧边缘固定于壳体本体(11)上，并被所述升降结构(12)上的环形凸起(10)支撑绷紧。

2.根据权利要求1所述的感声筒，其特征在于，所述壳体(1)呈圆筒状，在该壳体(1)的内侧围成一容置腔；

该壳体(1)的顶部中间位置形成所述开口，该开口的径向尺寸小于所述容置腔的径向尺寸，其中心轴线与所述容置腔的中心轴线重合。

3.根据权利要求1所述的感声筒，其特征在于，所述壳体本体(11)的内壁具有内螺纹，所述升降结构(12)的外壁具有外螺纹；

所述升降结构(12)外壁的外螺纹与壳体本体(11)内壁的内螺纹相啮合，使所述升降结构(12)可分离、可升降地固定于壳体本体(11)上部的内侧。

4.根据权利要求1所述的感声筒，其特征在于，在壳体本体(11)上设置顶丝(3)，该顶丝(3)在升降结构(12)上的环状凸起(10)将振膜支撑绷紧后将升降结构(12)的位置锁死。

5.根据权利要求1所述的感声筒，其特征在于：

所述升降结构(12)呈圆筒状结构；或者

所述升降结构(12)呈实心柱体结构，其顶部具有凹入腔，该凹入腔的上部作为所述的开口。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的感声筒，其特征在于，所述开口的横截面呈圆形或椭圆形，其中心轴线与所述壳体的中心轴线重合。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的感声筒，其特征在于，所述环状凸起(10)的垂直截面呈矩形、直角三角形、梯形或半圆形。

8.根据权利要求7所述的感声筒，其特征在于，所述环状凸起(10)的垂直截面呈直角三角形，该直角三角形的一锐角支撑绷紧所述振膜(2)。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的感声筒，其特征在于，所述壳体顶部的厚度不小于0.5mm；所述环状凸起(10)的高度不超过5mm，宽度小于2mm。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的感声筒，其特征在于，所述振膜(2)的外侧边缘通过与其相连的固定环(21)由激光焊接固定在所述壳体(1)未收缩的顶端。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的感声筒，其特征在于：

所述壳体(1)和环状凸起(10)的材料选自于以下群组中的一种：钢、钛、镍、铬、铜、铁、钨、钛合金、镍铬合金、镍铜合金、铁基合金；

所述振膜(2)的材料选自于以下群组中的一种：钢、钛、镍、铬、铜、铁、钨、钛合金、镍铬合金、镍铜合金、铁基合金。

12.一种声波传感探头，其特征在于，包括：

如权利要求2所述的感声筒，其壳体的内壁设有内螺纹，其振膜朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，所述开口内侧形成感声腔；

内芯(4)，其中心轴线位置开设有光纤通孔，其外壁设有与感声筒的壳体的内壁的内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过螺纹咬合和顶丝锁紧方式安装于所述感声筒的壳体内，其上表面低于振膜；

光纤(5)，其一端面抛光，其经由内芯(4)的光纤通孔进入所述感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔。

13.一种声波传感探头，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的感声筒，其升降结构(12)呈实心柱体结构，其中心轴线位置开设有光纤通孔，其振膜朝向壳体内部的一侧具有金属反光面，所述开口的内侧形成感声腔；

光纤(5)，其一端面抛光，其经由升降结构(12)的光纤通孔进入所述感声腔内，其抛光端面与振膜的反光面构成对振膜振动敏感的光纤FP腔。

14.根据权利要求12或13所述的声波传感探头，其特征在于，还包括：

保护罩(6)，固定于壳体外侧并罩住所述振膜(2)，其顶部开设有入声孔(60)

其中，所述光纤(5)通过胶水固定于所述光纤通孔中。