[发明专利]一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器及其实现方法

权利要求书

1.一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器，其特征在于，所述热式声矢量传感器包括：衬底、加热梁、声音敏感梁、振动敏感梁、电极和背腔；其中，在衬底上形成镂空的背腔；在背腔上设置加热梁，加热梁的两端架在背腔边缘的衬底上；在加热梁的两侧分别对称设置完全相同且与加热梁互相平行的声音敏感梁，两根声音敏感梁之间的距离为d_m，声音敏感梁的宽度为w_m；在两根声音敏感梁的两侧分别对称设置完全相同且互相平行的振动敏感梁，两根振动敏感梁之间的距离为d_v，振动敏感梁的宽度为w_v；在衬底上设置多个电极，每一根加热梁、声音敏感梁和振动敏感梁分别对应一个电极；加热梁通过对应的电极连接至外部的加热电路；声音敏感梁通过对应的电极连接至外部的声音信号处理电路；振动敏感梁通过对应的电极连接至外部的振动信号处理电路；声音信号处理电路经第一放大电路连接至总信号差分电路，振动信号处理电路经第二放大电路连接至总信号差分电路；

对于声音信号而言，声音敏感梁和振动敏感梁结构对声音信号的响应具有二阶低通滤波器的频响特性；

声音敏感梁的第一截止频率f_m1与两根声音敏感梁之间的距离d_m有关：

声音敏感梁的第二截止频率f_m2与声音敏感梁的宽度w_m有关：

其中，D为热式声矢量传感器所处环境的介质的热扩散系数，h_m为声音敏感梁的厚度，ρ为介质的密度，c_p为介质的热容，ρ_m和c_pm分别为声音敏感梁的密度和热容；

振动敏感梁的第一截止频率f_v1与两根振动敏感梁之间的距离d_v有关：

振动敏感梁的第二截止频率f_v2与振动敏感梁的宽度为w_v有关：

其中，h_v为振动敏感梁的厚度，ρ_v和c_pv分别为振动敏感梁的密度和热容；

对于振动信号而言，加速度是衡量振动信号大小的物理量，而声音敏感梁和振动敏感梁结构对振动信号的灵敏度即对加速度的响应与瑞利数成正比；

声音敏感梁的瑞利数Ra^m满足：

其中，a是热式声矢量传感器的安装平台的加速度，β是介质的热膨胀系数，T-T0是加热梁与外腔的温度差，k为介质的导热系数，μ为介质的动力粘度；

振动敏感梁的瑞利数Ra^v满足：

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其中，a是热式声矢量传感器的安装平台的加速度，β是介质的热膨胀系数，T-T0是加热梁与外腔的温度差；

根据第一截止频率和第二截止频率以及瑞利数的关系，设定两根声音敏感梁之间的距离d_m、声音敏感梁的宽度w_m、两根振动敏感梁之间的距离d_v和振动敏感梁的宽度为w_v，使得声音敏感梁的第一截止频率f_m1和第二截止频率f_m2大于振动敏感梁的第一截止频率f_v1和第二截止频率f_v2，且同时振动敏感梁的瑞利数Ra^v大于声音敏感梁的瑞利数Ra^m，且满足/从而声音敏感梁对声音比对振动具有更高的灵敏度并且振动敏感梁对振动比声音具有更高的灵敏度；

在声音测量前，分别校准得到声音敏感梁对振动信号的灵敏度S_mv和振动敏感梁对振动信号灵敏度S_vv；外部的加热电路对加热梁进行加热；测量时，声音信号处理电路采集一对声音敏感梁感受到的声音信号和振动信号，分别进行差值、滤波和放大处理后得到第一信号，传输至第一放大电路进行放大；振动信号处理电路采集一对振动敏感梁感受到的声音信号和振动信号，分别进行差值、滤波和放大处理后得到第二信号，传输至第二放大电路进行放大；第一放大电路的放大倍数/第二放大电路的放大倍数＝振动敏感梁对振动信号灵敏度S_vv/声音敏感梁对振动信号的灵敏度S_mv；放大后的第一信号和第二信号分别传输至总信号差分电路，总信号差分电路对第一信号与第二信号进行差分运算，得到将干扰的振动信号消除后的声音信号。