基于镂空微悬臂梁的光学传声器及传声系统

1.本发明属于声波信号感知技术领域，具体涉及基于镂空微悬臂梁的光学传声器及传声系统。


背景技术：

2.传声器是将声波信号转换为电信号的能量转换设备，在工业上被广泛应用于潜艇声纳、医学成像、无损探伤等领域。传统的电子式传声器按照能量转换原理主要分为动圈式、电容式、驻极体式等。传统的电子式传声器普遍存在灵敏度低、背景噪声高、抗电磁干扰能力差等局限。
3.目前，基于新原理、新结构的光学传声器引起人们的广泛关注。光学传声器具有结构紧凑、工艺简单、抗电磁干扰等优势。光学传声器以振膜等作为声敏感元件，内部具有光学干涉结构，在声波信号作用时，振膜的形变引起干涉光强度变化，该强度变化可被传感器系统读出并还原为声信号。因此，限制光学传声器灵敏度的关键因素在于传声器的振膜。受内部应力、径向张力等因素影响，振膜在声压作用下的形变量有限，且存在非线性形变。工业界缺乏一种针对光学传声器声敏感元件的结构优化框架，导致光学传声器的灵敏度不高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，一方面，一些实施例公开了基于镂空微悬臂梁的光学传声器，该光学传声器包括镂空微悬臂梁部件，镂空微悬臂梁部件包括：
5.振膜本体；
6.微悬臂梁，设置与振膜本体连接；
7.微悬臂梁上设置有降低微悬臂梁的弹簧系数的镂空结构。
8.进一步，一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，镂空结构设置接近于微悬臂梁与振膜本体相互连接的部位。
9.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，还包括：
10.支座，支座包括一个与振膜本体适配的空腔，用于将振膜本体适配设置在空腔上方，以使微悬臂梁与空腔相对应；
11.压片，用于与支座配合固定振膜本体；
12.光纤及陶瓷插芯，适配设置在空腔中；光纤及陶瓷插芯的上表面与微悬臂梁之间形成fabry-perot干涉腔。
13.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，支座上设置有通孔，与空腔连通。
14.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，振膜本体的中央区域设置有u型槽，u型槽内部的振膜形成矩形微悬臂梁，矩形微悬臂梁上设置有长方形镂空结构，长方形镂空结构的长边与矩形微悬臂梁的长边平行。
15.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，u型槽由振膜本体雕刻形成，振膜本体与矩形微悬臂梁形成一体化结构；长方形镂空结构由矩形微悬臂梁雕刻形成。
16.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，长方形镂空结构设置有两个，相互平行。
17.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，长方形镂空结构的长度不小于矩形微悬臂梁的长度的一半。
18.另一方面，一些实施例公开了基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，基于镂空微悬臂梁的光学传声器。
19.一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，还包括：
20.光源，用于发生入射光；
21.探测器，用于接收反射光；
22.环形器，用于将光源发生的入射光引入光学传声器，并将光学传声器发出的反射光引入探测器；
23.数据处理组件，用于接收并处理探测器信号。
24.本发明实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，包括具有镂空结构的镂空微悬臂梁，该镂空微悬臂梁的微悬臂梁设置有能够降低其弹簧系数的镂空结构，该镂空结构能够降低微悬臂梁的质量和弹簧系数，在声波作用下更容易发生形变，但是不影响微悬臂梁的谐振频率和光学传声器的频响带宽，有效提高了微悬臂梁和光学传声器的检测灵敏度，而且，镂空微悬臂梁结构简单，形状、尺寸、设置位置能够灵活调整，制造成本低，在声波检测领域有良好应用前景。
附图说明
25.图1实施例1公开的镂空微悬臂梁结构示意图；
26.图2实施例2公开的光学传声器组成示意图；
27.图3实施例2公开的光学传声器工作原理示意图；
28.图4实施例3公开的不同光学传声器性能模拟曲线；
29.图5实施例4公开的基于镂空微悬臂梁的传声系统组成示意图；
30.图6实施例4公开的传声系统性能测试系统组成示意图；
31.图7实施例4公开的传声系统性能测试系统实时输出电压曲线；
32.图8实施例4公开的传声系统性能测试系统不同声压下输出电压拟合曲线；
33.图9实施例4公开的传声系统性能测试系统不同频率下的频率响应曲线。
34.附图标记
[0035]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
镂空微悬臂梁部件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀꢀ
支座
[0036]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀꢀ
光线及陶瓷插芯
[0037]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学介质
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
ꢀꢀꢀꢀ
振膜本体
[0038]
12
ꢀꢀꢀꢀ
u型槽
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
13
ꢀꢀꢀꢀ
微悬臂梁
[0039]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀ
镂空结构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
21
ꢀꢀꢀꢀ
通孔
[0040]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
空腔
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100
ꢀꢀꢀ
光学传声器
[0041]
41
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一光反射面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
131
ꢀꢀꢀ
第二光反射面
具体实施方式
[0042]
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本发明实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明实施例中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明实施例公开的内容。
[0043]
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明实施例所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明实施例中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。
[0044]
本文所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于
±
5％，如小于或等于
±
2％，如小于或等于
±
1％，如小于或等于
±
0.5％，如小于或等于
±
0.2％，如小于或等于
±
0.1％，如小于或等于
±
0.05％。在本文中以范围格式表示或呈现的数值数据，仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。
[0045]
在本文中，包括权利要求书中，连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由
……
构成”和“由
……
组成”是封闭连接词。
[0046]
为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本发明的主旨。
[0047]
在不冲突的前提下，本发明实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本发明实施例公开的内容。
[0048]
在一些实施方式中，基于镂空微悬臂梁的光学传声器包括镂空微悬臂梁部件，镂空微悬臂梁部件包括：
[0049]
振膜本体；通常振膜本体为具有适宜厚度和适宜尺寸的振动膜部件，能够在声波作用下产生垂直于其表面的振动；通常振膜本体具有对称结构，例如长方形、正方形、多边形、圆形等；
[0050]
微悬臂梁，设置与振膜本体连接；通常，微悬臂梁的一端设置与振膜本体连接固定，为微悬臂梁的固定端，微悬臂梁的另一端设置为自由端，能够相对于振膜本体自由摆动；通常微悬臂梁为具有适宜厚度、适应形状和适应尺寸的部件，能够在声波作用下发生形变，通常微悬臂梁设置与振膜本体连接，以便将微悬臂梁的一端固定，使得微悬臂梁的另一端成为自由端，能够在发生形变的过程中产生摆动；通常微悬臂梁与振膜本体连接后，形成稳定的结构，通常在使用中需要将振膜本体的边缘部分固定，微悬臂梁设置在振膜本体的中央区域，能有效防止微悬臂梁的摆动受到周围环境的阻碍而影响检测结果；
[0051]
通常微悬臂梁具有对称结构，有利于在声波作用下产生有规律的形变，进而产生有规律的摆动，有利于提高对声波信号的响应稳定性；例如长方形、正方形、圆形、椭圆形
等；
[0052]
微悬臂梁上设置有降低微悬臂梁的弹簧系数的镂空结构。通常，振膜本体的周围固定在固定件上，使微悬臂梁处于自由状态，对微悬臂梁施加外部声场，位于振膜本体中央区域的微悬臂梁在声场声波的作用下发生连续形变，微悬臂梁产生垂直于振膜本体表面方向的摆动，将声波信号转化为机械振动信号，实现声波能量到机械振动能的转化。微悬臂梁上的镂空结构降低了微悬臂梁的有效宽度，降低了微悬臂梁的质量，在声波作用下更容易发生形变，提高了声波信号向机械振动信号转化的效率，也提高了光学传声器的灵敏度。
[0053]
一些实施例中，微悬臂梁通常位于振膜本体的中央区域，若振膜本体为圆形，则微悬臂梁位于振膜本体的圆心附近。若振膜本体为方形，则微悬臂梁位于振膜本体的中心线。一些实施例中，微悬臂梁位于振膜本体的边缘区域，通常微悬臂梁的一端设置与振膜本体固定连接，在声波的作用下以固定端为基础，自由端能够在振膜本体的垂直方向内自由摆动。
[0054]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，镂空结构设置接近于微悬臂梁与振膜本体相互连接的部位。镂空结构设置接近微悬臂梁与振膜本体相互连接的部位，有利于降低微悬臂梁的弹簧系数，提高对声波的响应灵敏度。
[0055]
在一些实施例中，振膜本体采用金属或合成材料形成薄膜，其中，在振膜本体的一个侧面采用电镀、磁控溅射等技术形成一层金、银等材料的高反射性镀层。
[0056]
在一些实施例中，微悬臂梁采用金属或合成材料形成薄膜，其中，在微悬臂梁的一个侧面采用电镀、磁控溅射等技术形成一层金、银等材料的高反射性镀层。
[0057]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，包括：
[0058]
镂空微悬臂梁部件，用于接收并响应声波；
[0059]
支座，支座包括一个与振膜本体适配的空腔，用于将振膜本体适配设置在空腔上方，以使微悬臂梁与空腔相对应；
[0060]
压片，用于与支座配合固定振膜本体；
[0061]
光纤及陶瓷插芯，适配设置在空腔中；光纤及陶瓷插芯的上表面与微悬臂梁相互平行，二者之间形成fabry-perot干涉腔。
[0062]
一些实施例中，支座、压片采用聚金属、聚合物制作而成，振膜本体和镂空微悬臂梁部件采用不锈钢材料制作而成。
[0063]
一些实施例中，支座、压片采用3d打印技术、cnc数控机床等方式加工制作。
[0064]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，支座上设置有通孔，与空腔连通。通孔将支座内部的空腔与支座外部相互连通，确保内外气压平衡，避免内部气体阻碍微悬臂梁的运动。
[0065]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，振膜本体的中央区域设置有u型槽，u型槽内部的振膜形成矩形微悬臂梁，矩形微悬臂梁上设置有长方形镂空结构，长方形镂空结构的长边与矩形微悬臂梁的长边平行。长方形镂空结构可以设置在矩形微悬臂梁的中间，也可以设置在对称位置上；例如，若设置一个长方形镂空结构，可以设置在矩形微悬臂梁的中间位置，若设置两个长方形镂空结构，可以分别设置在靠近矩形微悬臂梁长边的位置，且沿矩形微悬臂梁的中心线线对称设置。
[0066]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，u型槽由振膜本体雕刻形成，
振膜本体与矩形微悬臂梁形成一体化结构；长方形镂空结构由矩形微悬臂梁雕刻形成。通常可以由一体化结构的振动膜进行裁剪，得到振膜本体，然后进一步雕刻振动膜本体得到u型槽，u型槽将其内部部分与边缘部分相互隔离，u型槽内部的振膜形成微悬臂梁；进一步在微悬臂梁上根据设定位置、尺寸雕刻出长方形镂空结构，得到具有一体化结构的镂空微悬臂梁部件。
[0067]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，长方形镂空结构设置有两个，相互平行。
[0068]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，长方形镂空结构的长度不小于矩形微悬臂梁的长度的一半。
[0069]
一些实施例公开了基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，包括基于镂空微悬臂梁的光学传声器。基于镂空微悬臂梁的光学传声器，作为声波感应器件，对声波产生响应，将声波信号转化为机械振动信号。
[0070]
一些实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，包括：
[0071]
基于镂空微悬臂梁的光学传声器；
[0072]
光源，用于发生入射光；
[0073]
探测器，用于接收反射光；
[0074]
环形器，用于将光源发生的入射光引入光学传声器，并将光学传声器发出的反射光引入探测器；
[0075]
数据处理组件，用于接收并处理探测器信号，实现对声波的检测。
[0076]
以下结合实施例对技术细节做进一步示例性说明。
[0077]
实施例1
[0078]
实施例1公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，包括镂空微悬臂梁部件1，镂空微悬臂梁部件1包括振膜本体11，振膜本体11为圆形薄膜，振膜本体11的中央区域雕刻出呈水平设置的u型槽12，如图1所示，u型槽12内部形成微悬臂梁13，微悬臂梁13的左侧端为自由端，右侧端与振膜本体11连接为一体，为固定段；微悬臂梁13位于振膜本体11的中央区域；微悬臂梁13上设置有两个长方形的镂空结构14；两个长方形镂空结构14相互平行，并同时与微悬臂梁13的长边平行，在图1中为水平方向设置的长方形镂空结构；微悬臂梁13上的水平虚线为其中心线，两个长方形镂空结构14位于该中心线两侧，到中心线的距离相等；长方形镂空结构14的右侧端与u型槽的右侧端对齐，位于同一个平面内，该平面如图1中竖向虚线所示；
[0079]
微悬臂梁13的宽度为w，长度为l，长方形镂空结构14的宽度为w1，长度为l1。
[0080]
实施例1公开的微悬臂梁在声波作用下发生形变时，微悬臂梁的自由端发生垂直位移x，声场作用力与垂直位移的关系表达为：
[0081][0082]
上式中，m代表悬臂梁的有效质量，代表位移x关于时间t的二阶导数，β代表阻尼系数，代表位移x关于时间t的一阶导数，k代表等效弹簧系数，kx代表克服的弹性形变胡克力，代表机械运动耗散，f(t)代表施加在悬臂梁上的声场作用力。
[0083]
若点状作用力f(t)施加在距离悬臂梁固定端长度为a的位置，引起的垂直位移x
′
表达式为：
[0084][0085][0086][0087]
上式中，x1代表作用力的作用点距离水平面的垂直位移，x2代表悬臂梁自由端相对于力作用点的垂直位移，e代表悬臂梁杨氏模量，i代表悬臂梁相对于固定端的转动惯量，p代表作用力f(t)作用在悬臂梁上距离悬臂梁固定端长度为a的位置的压强。
[0088]
若作用力f(t)均匀作用在整个悬臂梁表面上，位移x表达式为：
[0089][0090]
上式中，x为长为l、宽为w的普通微悬臂梁的位移，在本实施例1中，微悬臂梁的镂空结构会降低微悬臂梁的转动惯量，从而使镂空微悬臂梁在同等作用力下的位移增大。镂空微悬臂梁的有效质量m表达式为：
[0091][0092][0093]
上式中，mc为微悬臂梁的实际质量，即微悬臂梁密度乘以体积；0.647mc代表一端固定的微悬臂梁的实际质量，其中0.647为经验系数；代表微悬臂梁摆动时使空气压缩引入的附加质量，该附加质量满足气态方程pv＝nrt，其中，该部分压缩空气压强等于声波作用在微悬臂梁表面的压强p，m是空气摩尔质量，r是通用气体常数，t是温度，v代表微悬臂梁推开的压缩空气体积，ρg表示压缩空气密度。
[0094]
在本实施例1中，微悬臂梁的镂空结构降低了微悬臂梁的有效质量。微悬臂梁的自由端摆动推开空气时一方面会引入附加质量，另一方面会引入一个附加弹簧系数kg(p)，还会使弹簧系数增加；镂空微悬臂梁的等效弹簧系数k表达式为：
[0095]k[0096][0097][0098]
上式中，kc代表悬臂梁的弹簧系数，e代表悬臂梁的杨氏模量，t代表悬臂梁的厚度，kg(p)代表推开空气引入的弹簧系数，κ代表热力学系数，s代表微悬臂梁面积，s＝wl。在本实施例中，悬臂梁的镂空结构会降低等效弹簧系数，使镂空微悬臂梁在相同作用力下产生更大形变。
[0099]
镂空微悬臂梁的谐振频率f0表达式为：
[0100][0101]
实施例2
[0102]
图2为实施例2公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器结构示意图，其中，左侧图为光学传声器装配图，右侧图为装配好的光学传声器示意图；
[0103]
实施例2中，如图2所示，基于镂空微悬臂梁的光学传声器包括：圆形的镂空微悬臂梁部件1，圆柱形的支座2，支座2中设置有位于其中部、贯穿其上下表面的圆柱形空腔22，支座2的侧壁上设置有与圆柱形空腔22连通的通孔21；压片3为圆形，与圆柱型的支座2的上端面形状适配；光纤及陶瓷插芯4具有与圆柱形空腔22适配的形状，可以适配安装在圆柱形空腔22中；
[0104]
装配光学传声器时，按照图1中左侧图所示顺序，将镂空微悬臂梁部件1设置在支座2上端面上，然后将压片3放置在镂空微悬臂梁部件1上方，通过压片3与支座2之间的固定配合，将镂空微悬臂梁部件1固定，使得镂空微悬臂梁位于圆柱形空腔22上方；然后将光纤及陶瓷插芯4装入圆柱形空腔22中的适当位置处；光纤及陶瓷插芯4的上表面与镂空微悬臂梁部件之间形成fabry-perot干涉腔；
[0105]
实施例2中，基于镂空微悬臂梁的光学传声器，光纤及陶瓷插芯4的上表面具有第一光反射面41，镂空微悬臂梁下表面具有第二光反射面131，两个光反射面相对设置，二者之间具有光投射介质5，两个光反射面之间形成fabry-perot干涉腔，如图3所示，光学传声器工作时，部分入射光a0被光线及陶瓷插芯4的第一光反射面41发射，发生零阶反射，形成反射光a
r0
；部分入射光a0穿过第一光反射面41投射进入光投射介质5，穿过介质5，由镂空微悬臂梁的第二光反射面131反射，再穿过介质5、第一反射面41射出，发生一阶反射，形成反射光a
r1
；还有部分反射光a0穿过第一光反射面41投射进入光投射介质5，穿过介质5，由镂空微悬臂梁的第二光反射面131反射，再穿过介质5、被第一反射面41发射回介质5，进一步被第二反射面131反射后，穿过介质5、第一光反射面41，发生二阶反射，形成反射光a
r2
；依此类似原理，通常会发生多级反射，即k阶反射。
[0106]
进入光学传声器的入射光与反射光形成干涉光。干涉光强度的表达式为：
[0107][0108]
上式中，代表第k阶反射光场强度，r1代表第一反射面41的反射率，r2代表第二反射面11的反射率，η代表由光的发散引起的空间损失系数，a0代表入射光的幅值，δ代表光相位延迟因子，e代表自然底数，e≈2.7183，j代表虚数单位。
[0109]
实施例3
[0110]
实施例3中，对镂空微悬臂梁光学传声器与微悬臂梁光学传声器的性能进行模拟比较。镂空微悬臂梁光学传声器与微悬臂梁光学传声器具有相同的结构和设置，其中的区别为，在普通微悬臂梁上设置镂空结构，形成镂空微悬臂梁。
[0111]
实施例3中，使用comsol multiphysics仿真软件，施加的声压为1khz，100mpa。普
通微悬臂梁部件为长方形，其内部设置有长方形微悬臂梁；镂空微悬臂梁部件为长方形，其内部设置有长方形微悬臂梁，长方形微悬臂梁上开设有镂空结构，形成镂空微悬臂梁。
[0112]
实验结果如图4所示，其中，上图为镂空微悬臂梁光学传声器及其模拟测试结果，下图为普通微悬臂梁光学传声器及其模拟测试结果；x轴上的横坐标为沿悬臂梁长边方向、距离悬臂梁固定端的距离，纵坐标为声压作用产生的垂直位移。当施加1khz、100mpa声场时，镂空微悬臂梁x轴1.6mm、2.0mm处产生的位移分别为0.38nm、0.28nm；普通微悬臂梁相同位置产生的位移分别为0.21nm、0.16nm。模拟实验结果说明，镂空结构使镂空微悬臂梁产生更大形变，镂空结构微悬臂梁具有更高的灵敏度。
[0113]
实施例4
[0114]
实施例4中，如图5所示，基于镂空微悬臂梁的传声系统包括：
[0115]
光学传声器，该光学传声器为基于镂空微悬臂梁的光学传声器；
[0116]
用于发生入射光的光源；
[0117]
环形器，与光源连接，将光源发生的入射光引入光学传声器，同时环形器与光学传声器连接，将光学传声器发出的反射光引入探测器；
[0118]
用于接收反射光的探测器；探测器设置与环形器连接，以便接受环形器导入的反射光；
[0119]
数据处理组件，用于接收并处理探测器信号。数据处理组件包括：数据采集卡，设置与探测器连接，用于采集探测器接收的信号，计算机设置与数据采集卡连接，用于处理数据采集卡采集的信息。
[0120]
为了比较基于镂空微悬臂梁的光学传声器与普通微悬臂梁光学传声器的性能，实施例4建立了如图6所示的传声系统性能测试系统，进一步在传声系统中设置普通微悬臂梁，其中的光学传声器包括基于镂空微悬臂梁的光学传声器和基于普通微悬臂梁光学传声器，同时设置电容式传声器作为标准声压测量部件测量发生的声压信号，电容式传声器设置与数据采集卡连接；同时设置信号发生器和扬声器，用于发生声波信号，光学传声器、电容式传声器和扬声器设置在声学隔离箱中；
[0121]
在本实施例4中，采用dfb激光器作为光源，电容式传声器灵敏度为47.3mv/pa，通过信号发生器、扬声器产生2khz，50mpa的声场；
[0122]
图7示出了基于镂空微悬臂梁的光学系统与基于普通微悬臂梁的光学传声系统在2khz、50mpa声压下的实时输出电压曲线。
[0123]
测试时分别将镂空微悬臂梁光学传声器、普通微悬臂梁光学传声器放置于传声系统，通过数据采集卡分别采集镂空、普通微悬臂梁光学传声器的输出电压，如图7所示，其中横轴为时间，纵轴为输出电压，其中，实线表示镂空微悬臂梁光学传声器，虚线表示普通微悬臂梁光学传声器。由图7可知，由于镂空微悬臂梁在相同声压下产生更大形变，从而使反射光强度增大、输出电压增强，镂空微悬臂梁的实时输出电压高于普通微悬臂梁。
[0124]
图8示出了基于镂空微悬臂梁的光学系统与基于普通微悬臂梁的光学传声系统在2khz，10～60mpa声压下的输出电压拟合图。
[0125]
通常，声波信号作用于微悬臂梁上，引起fabry-perot干涉腔的长度变化，从而使探测器输出的电压变化。在本实施例4中，光学传声器的输出信号呈现线性，随着声波信号的声压升高，输出电压升高，说明基于镂空微悬臂梁的光学传声器具有良好的能量转化效
率。
[0126]
基于镂空微悬臂梁的光学传声器灵敏度s的表达式为：
[0127][0128]
上式中，s表示光学传声器的灵敏度，表示探测器的光电转化系数，ar表示探测器接收到的反射光强度，p表示声波的声压，与作用在悬臂梁上的压强相同，v表示探测器输出的电压。
[0129]
在本实施例中，改变信号发生器的信号电压，使扬声器产生2khz、10
–
60mpa的声场，分别测试镂空微悬臂梁、普通微悬臂梁光学传声器的输出电压，如图8所示，其中，横轴为声压，纵轴为输出光学传声器的电压，其中，实现为镂空微悬臂梁，虚线为普通微悬臂梁。由图8可知，在2khz声场下，镂空微悬臂梁光学传声器的灵敏度为114.4mv/pa，普通微悬臂梁为92.3mv/pa，两者的灵敏度均高于商用电容式传声器的灵敏度47.3mv/pa，且镂空结构使镂空微悬臂梁的灵敏度高于普通微悬臂梁。
[0130]
在本实施例中，将400
–
3khz的声波信号分别施加在镂空微悬臂梁光学传声器和普通微悬臂梁光学传声器，测试出不同声波频率下的传声器灵敏度，描绘成频率响应曲线。图9示出了本实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声系统与基于普通微悬臂梁的光学传声系统的频率响应曲线图。图9中，横轴为频率，纵轴为灵敏度，其中实线为镂空微悬臂梁，虚线为普通微悬臂梁。由图9可知，镂空微悬臂梁的频响曲线高于普通微悬臂梁，每个频率下灵敏度高于普通微悬臂梁，证明了本实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器的检测灵敏度得到提高。
[0131]
本发明实施例公开的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，包括具有镂空结构的镂空微悬臂梁，该镂空微悬臂梁的微悬臂梁设置有能够降低其弹簧系数的镂空结构，该镂空结构能够降低微悬臂梁的质量和弹簧系数，在声波作用下更容易发生形变，但是不影响微悬臂梁的谐振频率和光学传声器的频响带宽，有效提高了微悬臂梁和光学传声器的检测灵敏度，而且，镂空微悬臂梁结构简单，形状、尺寸能够灵活调整，制造成本低，在声波检测领域有良好应用前景。
[0132]
本发明实施例公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的发明构思，并不构成对本发明实施例技术方案的限定，凡是对本发明实施例公开的技术细节所做的常规改变、替换或组合等，都与本发明具有相同的发明构思，都在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，包括镂空微悬臂梁部件，所述镂空微悬臂梁部件包括：振膜本体；微悬臂梁，设置与所述振膜本体连接；所述微悬臂梁上设置有降低所述微悬臂梁的弹簧系数的镂空结构。2.根据权利要求1所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述镂空结构设置接近于所述微悬臂梁与所述振膜本体相互连接的部位。3.根据权利要求1或2所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，还包括：支座，所述支座包括一个与所述振膜本体适配的空腔，用于将所述振膜本体适配设置在所述空腔上方，以使所述微悬臂梁与所述空腔相对应；压片，用于与所述支座配合固定所述振膜本体；光纤及陶瓷插芯，适配设置在所述空腔中；所述光纤及陶瓷插芯的上表面与所述微悬臂梁之间形成fabry-perot干涉腔。4.根据权利要求1或2所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述支座上设置有通孔，与所述空腔连通。5.根据权利要求1或2所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述振膜本体的中央区域设置有u型槽，所述u型槽内部的振膜形成矩形微悬臂梁，所述矩形微悬臂梁上设置有长方形镂空结构，所述长方形镂空结构的长边与所述矩形微悬臂梁的长边平行。6.根据权利要求5所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述u型槽由所述振膜本体雕刻形成，所述振膜本体与所述矩形微悬臂梁形成一体化结构；所述长方形镂空结构由所述矩形微悬臂梁雕刻形成。7.根据权利要求5所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述长方形镂空结构设置有两个，相互平行。8.根据权利要求5所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声器，其特征在于，所述长方形镂空结构的长度不小于所述矩形微悬臂梁的长度的一半。9.基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的光学传声器。10.根据权利要求9所述的基于镂空微悬臂梁的光学传声系统，其特征在于，还包括：光源，用于发生入射光；探测器，用于接收反射光；环形器，用于将光源发生的入射光引入光学传声器，并将光学传声器发出的反射光引入探测器；数据处理组件，用于接收并处理探测器信号。

技术总结
本发明实施例公开了基于镂空微悬臂梁的光学传声器及传声系统；光学传声器包括镂空微悬臂梁部件，镂空微悬臂梁部件包括：振膜本体；微悬臂梁，设置与振膜本体连接；微悬臂梁上设置有降低微悬臂梁的弹簧系数的镂空结构。该镂空结构能够降低微悬臂梁的质量和弹簧系数，在声波作用下更容易发生形变，但是不影响微悬臂梁的谐振频率和光学传声器的频响带宽，有效提高了微悬臂梁和光学传声器的检测灵敏度，而且，镂空微悬臂梁结构简单，形状、尺寸、设置位置能够灵活调整，制造成本低，在声波检测领域有良好应用前景。有良好应用前景。有良好应用前景。


技术研发人员：田申 李磊 冯铭扬 乔莹莹 高杨 单崇新
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12