声音能量采集器件及应用其的声传感部件制造技术

本发明专利技术提供了一种声音能量采集器件。该声音能量采集器件包括：腔体管壳，其外壁上具有N个通孔，其两端由弹性薄膜封住；M个薄膜型声电转换器件，固定于腔体管壳的外壁上，并且将N个通孔密闭，腔体管壳内的管道被填充传音介质；在声波行波传播过程中，M个薄膜型声电转换器件分别采集由腔体管壳外壁上相应通孔传导出来的振动信号，产生电信号输出。本发明专利技术通过改变腔体管壳内径及通孔的分布以在器件不同部位形成固有频率不同的共振结构，实现分区域的复合共振腔，从而克服传统共振结构频率响应范围窄难以同时兼顾高效和宽频的难题。基于该声音能量采集器件，本发明专利技术还提供了人工耳蜗、助听器、声传感器和录音探头。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子行业传感器
，尤其涉及一种声音能量采集器件及应用其的人工耳蜗、助听器、声传感器和录音探头。
技术介绍
声音能量是自然界存在最为广泛的能量形式其中之一。日常生活中到处充斥着诸如说话、音乐以及环境噪音等形式的声音能量。由于缺乏对声音这种低密度能量的高效采集技术，声音能量一直没有得到广泛利用。目前的声音能量采集技术主要基于压电效应、静电效应以及摩擦起电效应等原理。但现有的基于不同原理的声音能量采集器件均存在灵敏度低、工作频谱范围窄等毛病，大量低密度的声音能量通过空气阻尼等其它途径白白耗散而没有转化为电能。因此，传统上大多通过增加额外的声学共振腔来提高声音采集效率。但是，传统的声学共振腔不仅结构复杂，而且往往共振频带范围较窄，难以实现宽频的声音能量采集。此外，其还伴随着体积比功率密度小、器件结构复杂、材料要求高、便携性差、安装困难等系列技术问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种声音能量采集器件及应用其的人工耳蜗、助听器、声传感器和录音探头，以实现宽频、高效的声音能量采集。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种声音能量采集器件。该声音能量采集器件包括：腔体管壳，其外壁上具有N个通孔，其两端由弹性薄膜封住，形成两薄膜窗口-声波入射窗和声波出射窗；M个薄膜型声电转换器件，固定于所述腔体管壳的外壁上，并且将所述N个通孔密闭，腔体管壳内的管道被填充液态或气态的，声波传导速度高于空气的传音介质。其中， M≤N，由声波入射窗导入的声波在传音介质中形成行波传播，最终由声波出射窗释放，在行波传播过程中，M个薄膜型声电转换器件分别采集由腔体管壳外壁上相应通孔传导出来的振动信号，产生电信号输出。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种人工耳蜗。该人工耳蜗应用上述声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为其信号采集端。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种助听器。该助听器应用上述声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为其信号采集端。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种声传感器。该声传感器应用上述声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为其信号采集端。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种录音探头。该录音探头应用上述声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为其信号采集端。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术声音能量采集器件及应用其的声传感部件具有以下有益效果：(1)通过改变腔体管壳内径及通孔的分布以在器件不同部位形成固有频率不同的共振结构。这样不同频段的声波就可以分别在对应区域形成高效共振，实现一个分区域的复合共振腔，从而克服传统共振结构频率响应范围窄难以同时兼顾高效和宽频这一技术难题。另外，通过改变对应区域薄膜型声电转换器件的结构参数来配合腔体的共振特性，使器件工作的特征频率与该区域的共振频率一致，实现高效的声音采集。通过上述两个特征的有机结合就可以实现高效而宽频的声音能量采集效果；(2)本专利技术的器件基于薄膜的摩擦生电原理来工作，可以在无须外部电源供电的情况下直接产生随外部声波信号变化的电压\\电流信号，从而实现一种自供电的宽频录音技术。而传统的基于电容或电阻的录音技术，都需要外部供电来将容\\阻特性的变化转化为电学信号。本专利技术的这一优点特别有助于降低电耗并减小器件尺寸。综合上述两个方面，本专利技术成果在实现录音和声音能量采集的基本功能的前提下，还兼具节省空间，采集效率高，工作频带宽等优点，特别适合用于人耳助听，能量收集，噪音控制等不同场合。附图说明图1为本专利技术声音能量采集器件中声电转换器件的四种组装方式的示意图；图2为图1中组装方式III薄膜型声电转换器件的工作过程的示意图；图3为根据本专利技术第二实施例声音能量采集器件工作原理的示意图；图4为根据本专利技术第二实施例声音能量采集器件的结构示意图。具体实施方式在实现本专利技术的过程中，申请人注意到人类以及动物的耳朵是一种非常灵敏的声音能量采集器官。耳朵通过外耳道收集声音能量，并将其通过中耳高效的传递给内耳中的耳蜗，而耳蜗利用特殊的蜗壳结构在很小的空间内将很宽频率范围内的声音能量高效转化为电信号，并传给神经系统。其兼具了空间利用率高、灵敏度下限低以及工作频谱宽等优点。本专利技术借鉴了人体仿生学的耳蜗结构，通过在蜗壳结构多孔壳体上组装一系列具有不同工作频率的薄膜型声电转换器件制成了一种新型的声音能量采集器件，并基于该声音能量采集器件制成了传感器、助听器和录音探头。为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。一、第一实施例在本专利技术的一个示例性实施例中，提供了一种声音能量采集器件。本实施例声音能量采集器件包括：腔体管壳，其外壁上具有N个通孔；M个薄膜型声电转换器件，固定于腔体管壳的外壁上，并且将所述N个通孔密闭，其该M个薄膜型声电转换器件的工作频率不同。其中，腔体管壳的两端由弹性薄膜封住，形成两薄膜窗口-声波入射窗和声波出射窗，腔体管壳内被填充液态或气态的、声波传导速度高于空气的传音介质，其中，M≤N，由声波入射窗导入的声波在传音介质中形成行波传播，最终由声波出射窗释放，在行波传播过程中，M个薄膜型声电转换器件分别采集由腔体管壳外壁上通孔传导出来的振动信号，产生电信号输出。本实施例中，所述腔体管壳内管道的内径是变化的，且腔体管壳外壁上通孔的孔径还可以随管道内径变化而变化，从而在管道内的不同区域形成固有频率不同的共振结构。这样不同频段的声波就可以分别在对应区域 形成高效共振，实现一个分区域的复合共振腔，从而克服传统共振结构频率响应范围窄难以同时兼顾高效和宽频这一技术难题。此外，安装于腔体管壳外壁的薄膜型声电转换器件的特征频率与所在区域的共振结构的共振频率一致，从而实现高效的声音采集。具体到本实施例而言，沿管道口径从大到小的方向，腔体管壳外壁上通孔的孔径逐渐减小，对应的薄膜型声电转换器件的工作频率也逐渐降低。以下分别对本实施例声音能量采集器件的各组成部分进行详细说明。本实施例中，腔体管壳是将由热塑性塑料构成的喇叭型管道加热软化后，盘绕而成的蜗壳结构。在加热软化之前，喇叭型管道外壁加工平均孔径0.5mm的多个通孔。其中，沿着管道口径从大到小的方向，通孔孔径逐渐减小。在盘绕成蜗壳结构之后，待腔体管壳冷却固化，沿着管道口径从大到小的方向，依次安装上工作频率依次降低的一系列薄膜型声电转换器件。在其他实施例中，腔体管壳还可以为管径均一的直型管道，所述腔体管壳外壁上通孔的孔径随通孔沿着管道内壁距管道端口距离的变化而变化，沿着管道内壁离管道端口越远通孔孔径越小，也可以实现在管道内的不同区域形成固有频率不同的共振结构。本专利技术中，沿管壁设计不同的声学结构，从而在管壁不同位置安装的薄膜器件可以有不同的频率响应，这样沿空间上就可以拓展出宽泛的频率响应。需要说明的是，除了上述蜗壳结构的管道之外，在声音频率分布上，普通直管道有和上述蜗壳结构的管道类似的效果。但是，相对于简单的管道，蜗壳结构有两个优点：(1)如果仅仅是直管道，整个声音能量采集器件将变得很细长，难以安装在耳蜗等狭小的空间内，在实际使用时将受到限制；(2)蜗壳结构中弯曲的管道有助于将声压更多的集中作用于贴有薄膜器件的外侧管壁，其效果优于普通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声音能量采集器件，其特征在于，包括：腔体管壳，其外壁上具有N个通孔，其两端由弹性薄膜封住，形成两薄膜窗口‑声波入射窗和声波出射窗；M个薄膜型声电转换器件，固定于所述腔体管壳的外壁上，并且将所述N个通孔密闭，腔体管壳内的管道被填充液态或气态的，声波传导速度高于空气的传音介质；其中，由声波入射窗导入的声波在传音介质中形成行波传播，最终由声波出射窗释放，在行波传播过程中，M个薄膜型声电转换器件分别采集由腔体管壳外壁上相应通孔传导出来的振动信号，产生电信号输出。

【技术特征摘要】
1.一种声音能量采集器件，其特征在于，包括：腔体管壳，其外壁上具有N个通孔，其两端由弹性薄膜封住，形成两薄膜窗口-声波入射窗和声波出射窗；M个薄膜型声电转换器件，固定于所述腔体管壳的外壁上，并且将所述N个通孔密闭，腔体管壳内的管道被填充液态或气态的，声波传导速度高于空气的传音介质；其中，由声波入射窗导入的声波在传音介质中形成行波传播，最终由声波出射窗释放，在行波传播过程中，M个薄膜型声电转换器件分别采集由腔体管壳外壁上相应通孔传导出来的振动信号，产生电信号输出。2.根据权利要求1所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述腔体管壳内管道的内径是变化的，所述腔体管壳外壁上通孔的孔径随管道内径变化而变化；或者，所述腔体管壳内管道为管径均一的直型管道，所述腔体管壳外壁上通孔的孔径随通孔沿着管道内壁距管道端口距离的变化而变化；从而在管道内的不同区域形成固有频率不同的共振结构。3.根据权利要求1或2所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述腔体管壳为盘绕的喇叭形管道构成的蜗壳结构；或者，所述腔体管壳为两端大中间小的形状管道或者管径均一的管道构成的蜗壳结构。4.根据权利要求2或3所述的声音能量采集器件，其特征在于，安装于腔体管壳外壁的薄膜型声电转换器件的特征频率与所在区域的共振结构的共振频率一致。5.根据权利要求2-4任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，沿管道口径从大到小的方向，腔体管壳外壁上通孔的孔径逐渐减小，对应的薄膜型声电转换器件的工作频率也逐渐降低。6.根据权利要求1-5任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述通孔的孔径介于100nm～10mm之间，孔心间距介于100nm～10mm之间。7.根据权利要求1-6任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述腔体管壳是将由热塑性塑料构成的喇叭型管道加热软化后，盘绕而成的蜗壳结构。8.根据权利要求1-6任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述声音能量采集器件整体上为一蜗壳管道；在该蜗壳管道内部嵌套有两个并排的子腔管，两子腔管之间的内侧通过连续完整的管壁隔开，仅在蜗壳管道末端通过内部小孔连通，所述两个子腔管构成声音能量采集器件的腔体管壳。9.根据权利要求8所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述蜗壳管道是：通过3D打印制备；或者，通过浇铸成型制备；或者，由开口大中间小的热塑性塑料管道加热软化后，对折并排，并螺旋盘绕而成。10.根据权利要求8所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述蜗壳管道的材料为塑料、树脂、金属或纸浆。11.根据权利要求1-10任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述薄膜型声电转换器件为自供电或外供电的薄膜型声电转换器件。12.根据权利要求11所述的声音能量采集器件，其特征在于，所述薄膜型声电转换器件为自供电的薄膜型声电转换器件，包括：外膜层与内膜层；该外膜层和内膜层其中之一是连续的，以将腔体管壳外壁上的通孔封...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，范兴，陈俊，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11