地下聲敏傳感器的製作方法
2023-09-23 18:47:50 1
專利名稱：地下聲敏傳感器的製作方法
技術領域：
本發明為一種地下聲敏傳感器，屬於安全防範技術設備。
二
背景技術：
野外安全技術防範難度最大的是隱蔽性和抗破壞性，現有安防設備受上述因素的限制，無法使用。常規的聲音探測器依靠空氣傳播，眾所周知，在空氣中聲波是一種縱波，這時媒質質點的振動方向是與聲波的傳遞方向相一致的。聲音在傳播中將產生反射、折射、和衍射等現象，並在傳播中引起衰減。這些衰減通常包括聲能隨距離的的發散傳播引起的衰減Ad和空氣吸收引起的衰減Aa，地面吸收引起的衰減Ag，屏障引起的衰減Ab和氣象條件引起的衰減Am等。總的衰減A則是各種衰減的總和A＝Ad+Aa+Ag+Ab+Am。如將其埋於地下，地層構成的聲屏障衰減，加之地面吸收，已無法聽到地表聲音。我們可以這樣分析，圖1、為常規空間拾音器埋於地下的示意圖，聲波到達地面，穿過地層透射到拾音器。由於拾音器靠空氣振動為媒介，所以只能接收到透射波，而透射波在地層與拾音器的聲壓與入射波在地表界面上的聲壓比為p=PtAPiA]]>-----------------------------------------式(1)根據傳聲損p=10Lg1I]]>-----------------------------------------式(2)其中p=|PtA|2|PiA|2]]>-----------------------------------------式(3)通常地層的特徵阻抗遠大於空氣特徵阻抗，又傳聲損失的質量定律TL=20LgWM2P1C2]]>-----------------------------------------式(4)表明傳聲損失量和單位面積的質量的常用對數呈正比。地層的單位面積質量越大，傳聲損失量就越大，m增加一倍，傳聲損失量增加6dB，式(4)還表示頻率越高，傳聲損失量就越大，頻率提高一倍，聲損失量也增加6dB。式中ω＝2πf、ρc為空氣中的特徵阻抗≈400。公式(4)也可表示成TL＝20lgm+20lgf-42.5--------------------------------(5)上式為聲波垂直入射的理論計算結果。當聲波無規律入射時，則應對所有入射角求平均，經驗公式，傳聲衰減量為TL＝18.5lgmf-47.5-----------------------------------(6)由此可見，空間拾音器埋於地下，接收到的聲強是很微弱的。
為了克服上述不足，本發明的目的是提供一種地下聲敏傳感器，其採用物理諧振腔，將接收面與地面融為一體，視為同一界面，依靠固體振動傳播能量，由於在固體傳播中既存在聲波的縱波，也存在橫波，傳播能量遠大於空氣，也就是常說的固體傳聲具有傳播速度快、衰減少等特點。該地下聲敏傳感器在埋入地下20cm處能夠探測到地表半徑20m內及地下30m或更遠的微弱聲音信號。該傳感器的研製成功，為野外安全防範領域提供了有效的技術手段。
三
發明內容
本發明一種地下聲敏傳感器，其由物理諧振腔1、諧振片2、頂針3、壓電陶瓷片4、電信號放大器5、導線6、電路盒7和音頻信號輸出端8組成。
該物理諧振腔1為圓柱形不鏽鋼筒，在物理諧振腔1的頂面設有諧振片2，在諧振片2的中央部位焊接一頂針3，該頂針3的尖部與壓電陶瓷片4相接觸，該壓電陶瓷片4被鋼絲從四個方向固定在物理諧振腔1內，該壓電陶瓷片4的正、負極通過兩根導線6與電信號放大器5的信號輸入端和地端相接，該電信號放大器5置於電路盒7內，電路盒7設置在該物理諧振腔底部，在電路盒7上設有音頻信號輸出端8。
其中，該電信號放大器5的電路由場效應管ZSK30A、三極體ZSA733、放大器NE5532、電阻R1～R10、電容C1～C7組成；其連接關係是輸入端IN連接電容C1的一端，電容C1的另一端連接電阻R1的一端、場效應管ZSK30A的G端，場效應管ZSK30A的D端連接三極體ZSA733的基極b端、連接電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接電阻R5的一端、電容C2的正極、電容C2的負極接地，場效應管ZSK30A的S端連接電阻R3的一端、電容C3的正極，電阻R3的另一端與電容C3的負極及電阻R6的一端、電阻R4的一端、電阻R1的一端相連接，電阻R4的另一端接地，三極體ZSA733的發射極e極連接電阻R7的一端及電容C4的負極，電阻R7的另一端與電容C4的正極相連、並同時連接電源12V連接放大器NE5532的8端，三極體ZSA733的集電極C極是連接電容C5的正極、電阻R8的一端、放大器NE5532的同相輸入端3，電容C5的負極連接電阻R6的另一端，電阻R8的另一端連接地，放大器NE5532的反相輸入端2與1之間串接一電阻R9，其4端與地相連接，電阻R9的一端與電阻R10相連接，R10的另一端與電容C6的正極相連，電容C6的負極與地相連接，放大器NE5532的1端與5端相連接，6端與7端相連接，7端連接電容C7的正極，C7的負極為輸出端OUT。
本發明一種地下聲敏傳感器，其優點是傳播聲音速度快、衰減少，靈敏度高，其聲波的傳遞是通過相鄰質點間的動量傳遞來傳播能量。當聲波入射到地面，通過相鄰質點的動量傳遞引起諧振片振動時，諧振片各點的Fi通過頂針到達壓電片，壓電片M點的受力FM為各點傳遞到針尖的矢量和，用公式表示為FM＝∑Fi------------------------------------式[7]由此可見，到達地表的聲音或通過地層傳來的聲音雖然很微弱，經諧振腔後得到放大，壓電片輸出的電信號經放大器放大後，輸出。該發明所描述的裝置，比常規壓電式諧振拾音的靈敏度提高約數千倍。
四
圖1常規空間拾音器埋於地下示意圖。
圖2本發明立體分解示意圖。
圖3本發明電原理圖。
圖中標號如下11地層 22常規拾音器1物理諧振腔2諧振片 3頂針 4壓電陶瓷片5電信號放大器6導線 7電路盒8音頻信號輸出端電器元件如下場效應管型號ZSK30A三極體型號ZSA733放大器型號NE5532電阻R1阻值為1M、R2阻值為10K、R3阻值為2KR4阻值為680Ω、R5阻值為2.2K、R6阻值為27K
R7阻值為560Ω、R8阻值為5.6K、R9阻值為100KR10阻值為5.1K。
電容C1為104、C2、C6為100VF/25V、C3為47VF/25VC4、C5、C7為10VF/25V五
具體實施例方式本發明一種地下聲敏傳感器，主要由物理諧振腔1、諧振片2、頂葉3、壓電陶瓷片4、電信號放大器5、導線6、電路盒7和音頻信號輸出端8等組成；請參閱圖2所示，該物理諧振腔1為一圓柱形不鏽鋼筒(Φ74×109×0.22壁厚mm)，頂面為諧振片2(Φ74×0.22壁厚mm)，其中央焊接一頂針3(Φ0.7×15mm)，頂針3尖部與壓電陶瓷片4(Φ35，頻率響應1.8-2.2KHz)相接觸，將壓電陶瓷片4從四個方向用四根鋼絲(Φ0.18×37mm)固定於不鏽鋼筒內，壓電陶瓷片4的正、負極以兩根導線6(Φ0.013mm×7芯)與電信號放大器5的信號輸入端和地端相接。電信號放大器5置於電路盒7內，音頻信號8為輸出端。電信號放大器的原理詳見圖3。
將腔體諧振技術及壓電技術有機結合起來，首先將聲音用物理方法進行加強放大，通過機電轉換後進行二次放大，並以電信號方式傳出，解決了這一關鍵技術。
請參閱圖3所示，其電路工作原理用串聯N溝道場效應管(2SK30A)和三極體(2SA733)，可以得到電源電壓利用率高的電路。柵極電阻R1(1M)決定了直流工作點，並使V2(2SA733)的集電極電壓為Vcc/2，V1(2SK30A)的開路放大倍數約為5倍。由於V2(2SA733)的射極電阻為560Ω，集電極負載為5.6KΩ，所以其開路放大倍數約為10倍，總放大倍數為50倍(34dB)。由於負反饋也為32dB，因此，可以得到信號失真小，頻帶寬等特性。放大器NE5532放大倍數約為20倍，所以電路總增益約為58Db。地埋式聲敏傳感器技術參數電源電壓DC12V--15V工作電流≤5mA頻響100Hz-8KHz失真度≤0.1％靈敏度(聲強值)語音(可聽清)≤5dB/1m
敲地(可聽清)≤1dB/1m監聽範圍地面可聽清區域直徑40m/1個拾音器地下可監測區域直徑80m(常規土質)/1個拾音器環境溫度-25℃-+40℃相對溼度100％RH防水、防腐蝕。
權利要求
1.一種地下聲敏傳感器，其特徵在於其由物理諧振腔(1)、諧振片(2)、頂針(3)、壓電陶瓷片(4)、電信號放大器(5)、導線(6)、電路盒(7)和音頻信號輸出端(8)組成；該物理諧振腔(1)為圓柱形不鏽鋼筒，在物理諧振腔(1)的頂面設有諧振片(2)，在諧振片(2)的中央部位焊接一頂針(3)，該頂針(3)的尖部與壓電陶瓷片(4)相接觸，該壓電陶瓷片(4)被鋼絲從四個方向固定在物理諧振腔(1)內，該壓電陶瓷片(4)的正、負極通過兩根導線(6)與電信號放大器(5)的信號輸入端和地端相接，該電信號放大器(5)置於電路盒(7)內，電路盒(7)設置在該物理諧振腔(1)底部，在電路盒(7)上設有音頻信號輸出端(8)。
2.根據權利要求1所述的一種地下聲敏傳感器，其特徵在於其中，該電信號放大器(5)的電路由場效應管2SK30A、三極體2SA733、放大器NE5532、電阻R1～R10、電容C1～C7組成；其連接關係是輸入端IN連接電容C1的一端，電容C1的另一端連接電阻R1的一端、場效應管2SK30A的G端，場效應管2SK30A的D端連接三極體2SA733的基極b端、連接電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接電阻R5的一端、電容C2的正極、電容C2的負極接地，場效應管2SK30A的S端連接電阻R3的一端、電容C3的正極，電阻R3的另一端與電容C3的負極及電阻R6的一端、電阻R4的一端、電阻R1的一端相連接，電阻R4的另一端接地，三極體2SA733的發射極e極連接電阻R7的一端及電容C4的負極，電阻R7的另一端與電容C4的正極相連、並同時連接電源12V及連接放大器NE5532的8端，三極體2SA733的集電極C極是連接電容C5的正極、電阻R8的一端、放大器NE5532的同相輸入端3，電容C5的負極連接電阻R6的另一端，電阻R8的另一端連接地，放大器NE5532的反相輸入端2與1之間串接一電阻R9，其4端與地相連接，電阻R9的一端與電阻R10相連接，R10的另一端與電容C6的正極相連，電容C6的負極與地相連接，放大器NE5532的1端與5端相連接，6端與7端相連接，7端連接電容C7的正極，C7的負極為輸出端OUT。
全文摘要
一種地下聲敏傳感器，其由物理諧振腔、諧振片、頂針、壓電陶瓷片、電信號放大器、導線、電路盒和音頻信號輸出端組成；在物理諧振腔的頂面設有諧振片，在諧振片的中央部位焊接一頂針，該頂針的尖部與壓電陶瓷片相接觸，該壓電陶瓷片被鋼絲從四個方向固定在物理諧振腔內，該壓電陶瓷片的正、負極通過兩根導線與電信號放大器的信號輸入端和地端相接，該電信號放大器置於電路盒內，電路盒設置在該物理諧振腔底部，在電路盒上設有音頻信號輸出端。將其埋於地下20公分處，可拾取地表(半徑20米)，地下(30米)，微弱的聲音信號，並將其放大後以摸擬信號輸出。該傳感器靈敏度極高，防腐、防潮，在各種土壤及介質中能穩定可靠地工作。其隱蔽性和抗破壞性強，特別適用於野外和特殊環境的安全技術防範。
文檔編號H04R1/46GK1512819SQ0215945
公開日2004年7月14日 申請日期2002年12月31日 優先權日2002年12月31日
發明者馬步遠 申請人:北京世紀之星應用技術研究中心