CN106208799B - 声音能量采集器件及应用其的声传感部件 - Google Patents

Abstract

本发明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，本发明还提供了人工耳蜗、助听器、声传感器和录音探头。

Description

声音能量采集器件及应用其的声传感部件

技术领域

本发明涉及电子行业传感器技术领域，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。

背景技术

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。

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

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的另一个方面，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。

根据本发明的另一个方面，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。

根据本发明的另一个方面，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。

根据本发明的另一个方面，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，本发明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)本发明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。本发明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，本发明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为本发明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为根据本发明第二实施例声音能量采集器件工作原理的示意图；

图4为根据本发明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

在实现本发明的过程中，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***。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。

本发明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。

本发明中，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，其效果优于普通的直管道。

关于蜗壳结构的腔体管壳，由以下几点需要说明：

(1)除了热塑性塑料之外，还可以采用其他材料，例如：金属、塑料、树脂、石膏、纸壳及其复合材料等，来制备蜗壳结构，下文中将给出另外几个典型的实施例和相应的制备方法；

(2)除了上述一端大一端小的喇叭型，还可以采用其他形状的管道，例如：两端大中间小的形状、管径均一的直型管道来制备蜗壳结构，并且，如果不盘绕呈蜗壳结构，仅仅是一管状结构，同样能够实现本发明；

(3)腔体管壳上通孔的孔径也不局限于上述的0.5mm，其可以在100nm～10mm之间选择，通孔的孔心间距介于100nm～10mm之间。

腔体管壳的两端由弹性薄膜封住，形成两薄膜窗口。其中，该弹性薄膜可以为金属或者高分子材质的薄膜，例如：橡胶薄膜、生物大分子薄膜、塑料膜、金属箔或上述薄膜的复合薄膜等，其厚度在500nm到0.5mm之间。声音通过该弹性薄膜传入或传出腔体管壳。随弹性薄膜材质以及厚度不同，声电转换器件工作的频率范围也将有所变化。

在腔体管壳内灌注有传音介质。其中，该传音介质可以是声波传导速度高于空气的液体或气体，例如：氦气、水、甘油，或上述两种或多种物质的混合物。而高声波传导速度的传音介质可以保证声音能量可以高效的传递到相应的共振区域，从而实现高效而宽频的能量采集。

本实施例中，在腔体管壳外壁上固定声电转换器件后，在其内腔灌上的甘油/水混合溶液，并在管道开口处蒙上厚度为10μm的塑料弹性薄膜。工作时，声波由较大开口端的塑料弹性薄膜导入。

此处需要说明的是，从大、小不同的开口端导入声波有不同的技术效果。从大开口端进有利于更多的收集声波；从小开口端进入有助于增强高频声波的响应。

对于薄膜型声电转换器件而言，其可以对应腔体管壳上的一个通孔，也可以对应腔体管壳上一个区域的多个通孔。每一薄膜型声电转换器件包括：外膜层与内膜层。该两部分中，其中之一的内膜层是连续的，以将腔体管壳外壁上的通孔封闭，其中另一上具有小孔。并且，该外膜层和内膜层相互接触的部分由位于摩擦电极序不同位置的材料制备，且不能同时为导电材料，两者之间可相对运动。

本实施例中，声电转换器件的组装方式如图1中的组装方式I所示。内膜层贴合于腔体管壳的外侧，其是一面包覆有导电材料的高分子薄膜，并且导电材料朝向腔体管壳。具体而言，内膜层220通过在0.05mm厚的聚四氟乙烯薄膜上沉积50nm厚的铝制得。外膜层上分布着许多微小通孔，是由多孔基底(薄板或薄膜)包覆有导电材料构成。这些小孔的孔径为100nm～10mm，孔心间距为100nm～10m，厚度为10μm～10mm。具体而言，多孔基底为0.2mm厚的塑料基底，上面包覆100nm厚的铜薄膜作为导电材料。

其中，内膜层的高分子薄膜与外膜层的导电材料相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备。并且，组装时，外膜层和内膜层之间可以有空隙，也可以没有空隙，如果有空隙，空隙间距小于20μm。

本实施例中，通过改变内膜层上高分子薄膜的拉伸松紧度以及外膜层上小孔的孔径调节声电转换器件的响应频率f。总的来说，随高分子薄膜的拉伸松紧度增加，声电转换器件的响应频率f增加，随着多孔基底上小孔的孔径增大，声电转换器件的响应频率f的范围变宽，并且往高频移动。

本发明中，对于整个区域或者相邻区域的多个声电转换器件而言，其内侧的内膜层可以连为一体，或者，其外侧的外膜层可以连为一体。而在本实施例中，相邻区域的多个声电转换器件内侧的内膜层连成一体。

对于每一块内膜层而言，其四周固定，薄膜厚度在1μm～100μm之间，面积在0.5mm²～50cm²之间，薄膜张力在0Pa～100kPa之间，可以彼此厚度相同也可以彼此厚度不同，其共振频率在20kHz到10000kHz之间。随每个小区域上的张力以及薄膜厚度不同，其局部共振频率不同。另一方面，随外膜层局部的厚度以及孔结构不同，其局部共振频率也不同。两者共同作用，造成腔体管壳表面不同部位的薄膜型声电转换器件共振频率不同。

需要说明的是，除了图1中组装方式I所示之外，本发明还可以采用多种其他方式的声电转换器件：

(1)请参照图1中组装方式Ⅱ，内膜层同样是一面包覆导电材料的高分子薄膜，并且其高分子薄膜朝向腔体管壳。外膜层是分布着许多微小通孔的多孔基底(薄板或薄膜)。并且，多孔基底上包覆有导电材料，上述小孔同样贯穿该导电材料。

其中，内膜层的导电材料与外膜层的多孔基底相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备。在内膜层的导电材料与外膜层的多孔基底相互摩擦过程中，由内膜层的导电材料和外膜层的导电材料共同输出电信号。

(2)请参照图1中组装方式Ⅲ，内膜层上具有对应腔体管壳上多个通孔的小孔，其是一面包覆导电材料的摩擦起电材料，并且，其内侧的导电材料朝向腔体管壳。外膜层为包覆导电材料的高分子薄膜，其表面没有分布小孔。

其中，内膜层的摩擦起电材料与外膜层的导电材料相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备。在内膜层的摩擦起电材料与外膜层的导电材料相互摩擦过程中，由内膜层的导电材料和外膜层的导电材料共同输出电信号。

(3)请参照图1中组装方式Ⅳ，内膜层是由导电材料构成的单层结构，其直接以蜗壳结构多孔壳体为基底组装而成。尤其需要注意的是，该导电材料上具有对应蜗壳结构上的多个通孔的小孔。外膜层为包覆导电材料的高分子薄膜，其表面没有分布小孔。

其中，内膜层的导电材料与外膜层的高分子薄膜相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备。在内膜层的导电材料与外膜层的高分子薄膜相互摩擦过程中，由内膜层的导电材料和外膜层的导电材料共同输出电信号。

需要说明的是，上述三种方式的声电转换器件中，关于小孔孔径、响应频率的调整、声电转换器件的工作原理等内容，其与本实施例上文已经介绍的内容完全一致，此处不再重述说明。

对于本实施例声音能量采集器件，声波进入蜗壳结构的腔体管壳内部管道以后，沿管道传播，在传播过程中会不断引起管壁附近的压力变化。管道的不同位置处，其声学结构不同，引起共振结构也不相同，当入射声波的某种频率组分与管道某一部分的共振频率相同时，管壁处的压力变化幅度就会特别大，从而推动此处的声电转换器件产生较大的输出，实现在不同位置不同频率声波的高效能量采集。

下文以图1中组装方式I为例介绍薄膜型声电转换器件的工作过程。如图2所示，在声电转换器件内部，在声波驱动下，外膜层与内膜层不断摩擦或碰撞，同时产生电荷信号，实现电能输出。其中，在外膜层的导电材料与内膜层的高分子薄膜接触面积最大时，由于两种材料对电子的亲和力不同，更多的电子从导电材料转移到高分子薄膜中，导致导电材料侧带正电荷，高分子薄膜侧带负电荷。接下来，声压作用会导致外膜层的导电材料与内膜层的高分子薄膜分离，并引起内部电偶极的变化，从而驱动电子从高分子薄膜背面的导电材料，经由外部负载流向外膜层的导电材料，直到外膜层的导电材料与内膜层的高分子薄膜分离度达到最大。然后，外膜层的导电材料与内膜层的高分子薄膜又重新恢复接触，并随之引起电子的反向流动。如此周而复始，在外部负载上形成周期性的电流输出。

经由测试发现，对于本实施例的声音能量采集器件，器件的工作频率范围可以达20Hz～4000Hz。在114dB的声学条件下，开路电压达65V，短路电流达6.8mA/m²。

二、第二实施例

本实施例中，通过3D打印制备成仅有一端开口的树脂材质蜗壳管道。

图3为根据本发明第二实施例声音能量采集器件工作原理的示意图。如图3所示蜗壳管道内部嵌套有两个并排的子腔管。子腔管之间的内侧通过连续完整的管壁隔开，仅在蜗壳管道末端的通过内部小孔连通，该两个子腔管构成声音能量采集器件的腔体管壳。子腔管外侧与整个蜗壳管道共用一段管壁，其壁厚度2mm，其上分布有许多平均孔径1mm的通孔。

沿着蜗壳管道螺旋式由内及外的方向，通孔孔径逐渐增大。在蜗壳外壁安装上一系列薄膜型声电转换器件，其工作频率沿着蜗壳管道螺旋式由内及外的方向依次降低。薄膜型声电转换器件的组装方式如图1中的组装方式II所示，通过改变外膜层的拉伸松紧度以及多孔薄层电极的孔径调节器件的响应频率。其中，内膜层通过在0.02mm厚的多孔铜箔上包覆100nm厚的聚四氟乙烯制备；外膜层通过在0.05mm厚的橡胶薄膜上沉积50nm厚的铝制得。然后，在管道内灌上水，并在管道开口处蒙上厚度为10μm的橡胶薄膜。

如图3所示，声波从开口端的其中一个窗口入射，沿着充有传音介质的子腔管传播，经过蜗顶处的连接小孔，进入另一个子腔管，并最终从开口端的另一个窗口释放声压。声波为纵波，随着声波传导，先后顺次引起子腔管内局部传音介质的收缩膨胀，从而通过多孔外壳上的通孔推动贴在多孔外壁上的薄膜型声电转换器件。薄膜型声电转换器件在声波的驱动下，聚四氟乙烯层与铝层周期性的分离接触。其中，在多孔电极的金属层与高分子层接触面积最大时，由于两种材料对电子的亲和力不同，更多的电子从金属层转移到高分子层中，导致金属侧带正电荷，高分子侧带负电荷。接下来，声压作用会导致多孔电极与高分子薄膜分离，并引起内部电偶极的变化，从而驱动电子从高分子薄膜背面的背电极，经由外部负载流向多孔电极的金属层，直到多孔电极与高分子薄膜分离度达到最大。然后，多孔电极的金属层与高分子层又重新恢复接触，并随之引起电子的反向流动。如此周而复始，在外部负载上形成周期性的电流输出。

测试发现，该声音能量采集器件可以在无须外部电源供电的条件下输出随外部声音频率以及幅度变化的电信号。器件短路电流的对数与声压级成正比，短路电流的变化频率与外部声波一致。在50dB的声压条件下，也可以输出明显的电信号。器件响应频率范围可达20Hz～6500Hz，通过现有的电子测量以及信号处理技术可以轻松地将其还原为声音播放，可以作为一种宽频的自供电录音探头。

三、第三实施例

本实施例声音能量采集器件整体上同样为蜗壳结构。与第二实施例不同的是，该蜗壳管道是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。

该热塑性塑料管道的外壁分布有许多平均孔径0.6mm的通孔，沿着管道口径从大到小的方向，通孔孔径逐渐减小。待蜗壳冷却固化后，沿着管道口径从大到小的方向，依次安装上工作频率也依次降低的一系列薄膜型声电转换器件。

本实施例中，声电转换器件的组装方式如图1中的组装方式II所示。其中，通过改变内膜层的拉伸松紧度以及外膜层的孔径调节器件的响应频率。组装时，内膜层和外膜层之间可以有空隙，也可以没有空隙，如果有空隙，空隙间距小于20μm。其中，外膜层通过在0.02mm厚的多孔铜箔上包覆100nm厚的聚四氟乙烯制备；内膜层通过在0.05mm厚的橡胶薄膜上沉积50nm厚的铝制得。然后，在管道内灌上的工业机油，并在管道开口处蒙上厚度为5μm的铜箔。工作时，声波由较大的开口端的薄膜导入。

对于本实施例的声音能量采集器件，经由测试发现，器件的工作频率范围可以达50Hz～6000Hz。在114dB的声学条件下，开路电压达53V，短路电流达4.8mA/m².

四、第四实施例

本实施例中，通过纸浆浇筑干燥制备成仅有一端开口的蜗壳管道。蜗壳管道内部嵌套有两个并排的子腔管。子腔管之间的内侧通过连续完整的管壁隔开，仅在蜗壳结构的末端通过内部小孔连通。子腔管外侧与整个蜗壳结构的多孔外壳共用一段管壁，其壁厚度为1.5mm，其上分布有许多平均孔径1mm的通孔。沿着蜗壳结构管道螺旋式由内及外的方向，通孔孔径逐渐增大。该两个子腔管构成声音能量采集器件的腔体管壳。

如附图1中的组装方式IV所示，蜗壳外壁包覆50nm的铝作为内膜层。在蜗壳外壁粘贴一系列不同松紧度的外膜层，由蜗壳口及蜗顶的方向，外膜层逐渐绷紧。其中，外膜层通过在0.01mm厚的铝膜上包覆100nm厚的聚四氟乙烯制备。然后，蜗壳内充上氦气，并在管道开口处蒙上厚度为40μm的聚氯乙烯薄膜。其中，两个子腔管的开口的聚氯乙烯薄膜彼此隔开。

对于本实施例的声音能量采集器件，经由测试发现，器件的工作频率范围可以达80Hz～5000Hz。在114dB的声学条件下，开路电压达38V，短路电流达4.6mA/m²。

五、第五实施例

图4为根据本发明第五实施例声音能量采集器件的结构示意图。如图4所示，本实施例中，通过浇铸成型制备成仅有一端开口的铝制蜗壳管道。蜗壳管道内部嵌套有两个并排的子腔管。子腔管之间内侧通过连续完整的管壁隔开，仅在蜗壳管道的末端通过内部小孔连通。子腔管外侧与整个蜗壳共用一段管壁，其壁厚度0.3mm，其上分布有许多平均孔径0.8mm的通孔。沿着蜗壳管道螺旋式由内及外的方向，通孔孔径逐渐增大。

如附图1中的组装方式III所示，蜗壳外壁包覆150nm的聚偏氟乙烯。在蜗壳外壁粘贴一系列不同松紧度的外膜层，由蜗壳口及蜗顶的方向，外膜层逐渐绷紧。其中，外膜层通过在0.01mm厚的橡胶薄膜上包覆100nm厚的铜制备。然后，蜗壳内充上氦气，并在管道开口处蒙上厚度为20μm的聚偏氟乙烯薄膜。其中，两个子腔管开口的聚偏氟乙烯薄膜彼此隔开。

对于本实施例的声音能量采集器件，经由测试发现，整体器件的工作频率范围可以达20Hz～6000Hz。在114dB的声学条件下，开路电压达43V，短路电流达3.8mA/m²。

六、第六实施例

在本发明的第六个示例性实施例中，还提供了一种应用上述声音能量采集器件的人工耳蜗。

该人工耳蜗安装在耳廓内，由声音能量采集器件的N个薄膜型声电转换器件来构成其信号采集端。不同位置的薄膜型声电转换器件，分别针对不同频率的声音刺激，并产生不同频率的电信号。将其作为人工耳蜗植入体将适量的电能经调制后传至耳蜗内部电极系列，沿着在序列上分布的电极刺激耳蜗内的残余听神经纤维。电声信息沿听觉通路传至大脑进行编译。分区域的声音采集结构和电信号输出，特别适合于与耳神经的功能特点匹配。

相对目前的人工耳蜗技术，这一技术无须外部供电的特点将更有突出优势。

七、第七实施例

在本发明的第七个示例性实施例中，还提供了一种应用上述声音能量采集器件的助听器。

在该助听器中，由声音能量采集器件的N个薄膜型声电转换器件来构成助听器的信号采集端。

由于本实施例声音能量采集器件具有无需外部供电即可完成声音能量采集的特点，因此可以省去助听器采集端的耗电，而只需要对信号的放大端提供外部供电可提高电池寿命。同时由于助听器采集端无须供电，免去了供电***，有助于减小体积。

八、第八实施例

在本发明的第八个示例性实施例中，还提供了一种应用上述声音能量采集器件的声传感器。在该声传感器中，由声音能量采集器件的N个薄膜型声电转换器件构成声传感器的信号采集端。

九、第九实施例

在本发明的第九个示例性实施例中，还提供了一种应用上述声音能量采集器件的录音探头。

在该录音探头中，由声音能量采集器件的N个薄膜型声电转换器件来构成录音探头的信号采集端。

对于本实施例的录音探头，其可以在不需要外部电源额外供电的情况下产生随外部声波频率以及幅值大小变化的电荷信号，该电荷信号可以通过常规电气测量设备记录，并通过现有的信号处理技术，还原为声音信号。

与传统录音技术相比，本实施例中的录音探头不需要额外供电即可产生于现有技术兼容的电荷信号。而且响应频率宽、灵敏度高、声音还原再现能力好，特别适合于户外活动、舞台录音、野外考察，水下声波采集等场合。

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声音能量采集器件及应用其的声传感部件有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，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)管道的螺旋盘绕方式还可以用折叠并排、方形盘绕等形式替代，以适合不同的应用环境；

(2)自供电的薄膜型声电转换器件可以用传统的需要外部供电的薄膜型录音探头来代替，对于对电耗要求不高的场合，这样可以继续保留宽频高效的有益技术效果，并发挥现有技术成熟稳定的特点；

(3)本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，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的值；

(4)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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供了一种声音能量采集器件，其通过改变管道上通孔的分布以及对应区域薄膜型声音能量采集器件的结构参数，可以在不同部位形成固有频率不同的共振结构，从而实现高效而宽频的声音能量采集。该声音能量采集器件同时具有节省空间，采集效率高等优点，在人工耳蜗、助听器、声传感器和录音探头等领域具有广阔的应用前景。

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 (21)

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；

其中，所述腔体管壳内管道的不同区域形成固有频率不同的共振结构。

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至10中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闭，其中另一上分布有小孔；

外膜层和内膜层相互接触的部分由位于摩擦电极序不同位置的材料制备，且不同时为导电材料，两者之间可相对运动。

13.根据权利要求12所述的声音能量采集器件，其特征在于，对于整个区域或者部分区域的多个声电转换器件，其内膜层或外膜层连为一体。

14.根据权利要求12所述的声音能量采集器件，其特征在于，通过以下方式中的一种或两种来调整薄膜型声电转换器件的工作频率：

(1)调整连续的外膜层和内膜层其中之一的拉伸松紧度；

(2)调整具有小孔的外膜层或内膜层上小孔的孔径。

15.根据权利要求12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采用以下其中之一的组装方式组装：

(1)内膜层为一面包覆有导电材料的连续薄膜，并且导电材料朝向腔体管壳；外膜层由多孔基底包覆有导电材料构成；其中，内膜层的连续薄膜与外膜层的导电材料相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备；

(2)内膜层为一面包覆有导电材料的连续薄膜，并且连续薄膜朝向腔体管壳；外膜层由多孔基底包覆有导电材料构成；其中，内膜层的导电材料与外膜层的多孔基底相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备；

(3)内膜层上具有对应腔体管壳上多个通孔的小孔，其一面包覆导电材料的摩擦起电材料，并且导电材料朝向腔体管壳；外膜层为包覆导电材料的连续薄膜；其中，内膜层的摩擦起电材料与外膜层的导电材料相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备；

(4)内膜层是由导电材料构成的单层结构，该导电材料上具有对应蜗壳结构上多个通孔的小孔；外膜层为包覆导电材料的连续薄膜；其中，内膜层的导电材料与外膜层的连续薄膜相互接触，两者是由位于摩擦电极序不同位置的材料制备。

16.根据权利要求1至10中任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，封住腔体管壳两端的弹性薄膜的材料为橡胶薄膜、生物大分子薄膜、塑料膜、金属箔或上述薄膜的复合薄膜，其厚度介于500nm到0.5mm之间。

17.根据权利要求1至10中任一项所述的声音能量采集器件，其特征在于，腔体管壳内管道填充的传音介质为以下材料中的一种或多种组成的混合物：氦气、水、甘油。

18.一种人工耳蜗，其特征在于，应用权利要求1至17中任一项所述的声音能量采集器件；

其中，由声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为该人工耳蜗的信号采集端。

19.一种助听器，其特征在于，应用权利要求1至17中任一项所述的声音能量采集器件；

其中，由声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为该助听器的信号采集端。

20.一种声传感器，其特征在于，应用权利要求1至17中任一项所述的声音能量采集器件；

其中，由声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为该声传感器的信号采集端。

21.一种录音探头，其特征在于，应用权利要求1至17中任一项所述的声音能量采集器件；

其中，由声音能量采集器件的M个薄膜型声电转换器件作为该录音探头的信号采集端。