CN107277722A - 柔性发电元件、自驱动声纹传感器及声纹识别安全*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性发电元件、自驱动声纹传感器及声纹识别安全***；柔性发电元件包括第一组件、第二组件和第三组件；第一组件包括第一金属导电层和在该第一金属导电层的边缘形成的第一电极；第二组件包括高分子聚合物绝缘层及其内部的多孔结构；第三组件包括第二金属导电层和在该第二金属导电层的边缘形成的第二电极；第一、第二、第三组件无间隙紧密贴合，通过声音在第二组件产生的声压使第二组件压缩或膨胀产生包含声音信息的交流电流信号；由单个或多个柔性发电元件构成自驱动声纹传感器；声纹识别安全***包括依次相连的声纹传感器、滤波放大单元、数据采集单元、分析处理单元、控制单元及响应终端；本发明提供的声纹识别安全***具有结构紧凑、声纹识别率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于生物识别技术领域，更具体地，涉及一种柔性发电元件、自驱动声纹传感器及声纹识别安全***。
背景技术
随着生物识别技术的发展，各种生物识别技术受到人们的关注，其中，语音识别因其非接触式自动控制的特点被广泛应用于手机电脑等各种高科技电子产品中。但是，目前大多数语音识别功能只能识别语言内容，而不能进行说话人识别，即声纹识别，具有一定程度的功能缺失和安全漏洞。使用声纹识别技术，可以在远程非接触的情况下获取声纹特征，成本低廉，使用简单，与语音识别配合使用，将大大提高识别准确率与安全性。
具体到语音控制的安全***而言，一般情况下，说出预设密码即可通过密码安全验证，但是密码泄露的情况下，任何知道密码的人即可通过安全验证，安全将失去保障。但如果加入了声纹识别技术，只有密码正确，且说话人的声纹与预设声纹匹配时，才可通过安全验证，那么即使密码不慎泄露也不用担心安全问题，这将大大提高***的安全保障。
具体到声纹识别器件而言，目前大多数声纹识别使用的是电压型麦克风，然而这种电压型麦克风存在以下缺陷：一方面，电压型麦克风需要外部电源持续供电才能保持正常工作，一旦遇上断电情况，将导致***瘫痪；另一方面声纹识别对声音信号辨识度要求很高，由于电压型器件灵敏度相对较低，电压型麦克风对声音辨识度不高，使声纹识别率降低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性发电元件、自驱动声纹传感器及声纹识别安全***，其目的在于提高语音识别安全性和准确度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性发电元件，自上而下层叠包括第一组件、第二组件和第三组件；其中第一组件包括第一金属导电层和在该第一金属导电层的边缘形成的第一电极；第二组件包括高分子聚合物绝缘层及其内部的多孔结构；第三组件包括第二金属导电层和在该第二金属导电层的边缘形成的第二电极；
第一、第二、第三组件依次无间隙紧密贴合，通过声音在第二组件产生的声压使第二组件压缩或膨胀，从而产生包含该声音信息的交流电流信号。
优选的，上述柔性发电元件，其高分子聚合物绝缘层的材料采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯这些材料中的一种或几种的组合；高分子聚合物为内部多孔结构。
优选的，上述柔性发电元件，其高分子聚合物内部孔径为1微米～100微米。
优选的，上述柔性发电元件，其高分子聚合物的内部多孔结构孔中充空气、氩气或氮气。
优选的，上述柔性发电元件，其高分子聚合物的内部多孔结构孔中充聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Eco-Flex)这类可压缩固体材料。
上述柔性发电元件，其第一、第二金属导电层的材料采用金、银、铜、铝或氧化铟锡。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自驱动声纹传感器，由单个柔性发电元件构成，或由彼此并联或串联的多个柔性发电元件构成。
按照本发明的另一方面，提供了一种声纹识别安全***，包括依次相连的自驱动声纹传感器、滤波放大单元、数据采集单元、分析处理单元、控制单元和响应终端；
其中，自驱动声纹传感器输出的交流电流信号先经过滤波放大单元滤波，滤除50Hz工频信号、0Hz漂移电流信号，并将滤波后的信号放大到适合数据采集的量级，并经过除去原有的或者信号处理电路引入的噪声信号的去噪处理，然后由数据采集单元采集并转换为数字信号，该数字信号发送到分析处理单元进行语音识别和声纹识别，分析处理单元将识别结果以高低电平形式发送到控制单元，通过控制单元输出的控制信号来控制响应终端做出相应响应，由此实现完整的安全管理功能。
优选的，上述声纹识别安全***，其滤波放大单元包括依次相连的多级电流放大电路、滤波电路和降噪电路，可将声纹传感器输入的信号处理成为可被数据采集单元采集的信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的自驱动声纹传感器，通过收集声音在自驱动声纹传感器上产生的声压、将声压的机械能转换为电能，实现了声纹传感器的自驱动功能，该声纹传感器无需外部供电即可持续稳定的工作，节能环保并有效避免了由于电源耗尽而导致的各种不便；
(2)本发明提供的自驱动声纹传感器，其用于收集声音信号的第二组件采用多孔高分子聚合物材料，由于该多孔高分子聚合物材料对声压响应灵敏，且由于采用能更灵敏反映声音变化的电流信号来进行分析，相比较采用电压信号来进行分析而言，使得该自驱动声纹传感器具有更高灵敏度，为准确的声纹传感与识别提供了保障；
(3)本发明提供的柔性发电元件，利用声音在第二组件上产生声压使第二组件压缩或膨胀，从而在第一、三组件上产生电势差和电流；在第一组件缺失的情况下，可以把大地当作第一组件，在第一组件和大地之间，同样可以产生电势差和电流；同样的，第三组件缺失的情况下，仍可正常工作；因此这种柔性发电元件在第一组件缺失或第三组件缺失的情况下仍可正常工作；
(4)本发明提供的自驱动声纹传感器的组件为柔性发电元件，可卷曲、折叠加工，使得自驱动声纹传感器可在弯曲状态下正常工作，性能不衰减；在不同入射角度的声音下保持性能稳定，这保证了自驱动声纹传感器广泛的工作场景，既可依附于任何刚性或柔性表面工作，亦可在无衬底条件下独立工作，因此在应用上与传统麦克风相比具有更大的灵活性，并具备性能稳定、成本低、便于大批量制造的特点；
(5)本发明提供的基于该自驱动声纹传感器的声纹识别安全***，在现有的密码式安全***的基础上，提供了一种除密码、指纹、虹膜识别之外的声纹识别方法，该方法采用非接触式密码验证方式，简单可靠，便于操作，进一步地，该声纹识别安全***提供了基于声纹的说话人识别模式，在提高***安全性的同时，避免了***成本或操作难度的增加。
附图说明
图1是实施例提供的自驱动声纹传感器的结构示意图；
图2是基于实施例提供的自驱动声纹传感器的声纹识别安全***的结构示意图；
图3是实施例提供的自驱动声纹传感器在800Hz、115dB的单频声音刺激下产生的输出信号曲线；
图4是基于实施例提供的自驱动声纹传感器的声纹识别安全***应用示例；
其中，图4(a)是声纹识别安全***在说话人正确密码正确的情况下得到的输出信号和信号处理结果示意图；图4(b)是声纹识别安全***在说话人正确密码错误的情况下得到的输出信号和信号处理结果示意图；图4(c)是声纹识别安全***在说话人错误密码正确的情况下得到的输出信号和信号处理结果示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-自驱动声纹传感器、2-滤波放大单元、3-数据采集单元、4-分析处理单元、5-控制单元、6-响应终端、11-第一组件、12-第二组件、13-第三组件、111-第一金属导电层、112-第一电极、121-高分子聚合物绝缘层、122-聚合物内部孔洞、131-第二金属导电层、132-第二电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示是实施例提供的自驱动声纹传感器的结构示意图，该自驱动声纹传感器1由单个柔性发电元件或由彼此并联或串联的多个柔性发电元件构成，具备自供能的功能。
具体而言，单个柔性发电元件包括第一组件11、第二组件12和第三组件13；其中第一组件11包括第一金属导电层111和在该第一金属导电层的边缘形成的第一电极112；第二组件12包括高分子聚合物绝缘层121及其内部的多孔结构122；第三组件13包括第二金属导电层131和在该第二金属导电层的边缘形成的第二电极132；
第一、第二、第三组件之间无间隙紧密贴合，通过声音在第二组件产生的声压使第二组件压缩或膨胀，从而产生包含该声音信息的交流电流信号。
本实施例中，高分子聚合物绝缘层121的材料采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯这些材料中的一种或几种的组合；高分子聚合物为内部多孔结构，孔径为1微米～100微米不等；孔内可充空气、氩气或氮气，或者充PDMS、Eco-Flex这类可压缩固体材料。第一、第二金属导电层的材料采用金、银、铜、铝或氧化铟锡。
图2所示，是实施例提供的自驱动声纹传感器在800Hz、115dB的单频声音刺激下所产生的电流随时间变化的曲线；该自驱动声纹传感器的高分子聚合物绝缘层121采用聚丙烯材料，高分子聚合物绝缘层内部孔内为空气，第一、第二金属导电层采用银；如该图所示，所得电流曲线为标准正弦波形，频率为800Hz，幅值大于4nA，信噪比优秀，无噪声信号，足以为整个***提供可精确识别的信号源，为声纹识别提供保障。
实施例中基于上述自驱动声纹传感器的声纹识别安全***的结构如图3所示，包括依次相连的自驱动声纹传感器1、滤波放大单元2、数据采集单元3、分析处理单元4、控制单元5和响应终端6；其中，滤波放大单元2、数据采集单元3、分析处理单元4和控制单元5依次连接构成内部分析控制***；作为声纹信号输入端的声纹传感器1和作为响应输出端的响应终端6构成外部终端；
自驱动声纹传感器1输出的交流电流信号经滤波放大单元2滤波放大和除噪，滤除50Hz工频信号、0Hz漂移电流信号，放大到适合数据采集的量级，除去原有的或者信号处理电路引入的噪声信号；后经数据采集单元3采集并转换为数字信号后发送到分析处理单元4进行语音识别和声纹识别，分析处理单元将识别结果以高低电平形式发送到控制单元5，通过控制单元5输出的控制信号来控制响应终端6做出相应响应，由此实现安全管理的功能。
本实施例中，数据采集单元3包括模数转换芯片；分析处理单元4采用智能终端，用于对采集的信号进行语音识别、声纹对比、给出判断结果，判断结果可被智能终端显示；控制单元5采用逻辑门芯片。
图4所示，是基于实施例提供的自驱动声纹传感器的声纹识别安全***进行语音识别和说话人声纹识别的应用示例；在说话人正确以及密码正确的情况，如图4(a)所示，自驱动声纹传感器跟进接收到的语音信号生成交流电流信号；由滤波放大单元2、数据采集单元3、分析处理单元4和控制单元5所构成的内部分析控制***对说话人和密码做出判断，此时说话人正确(高电平)密码正确(高电平)，安全验证通过(高电平)。在说话人正确密码错误的情况，如图4(b)所示，此时说话人正确(高电平)密码错误(低电平)，安全验证不通过(低电平)；在说话人错误密码正确的情况，如图4(c)所示，此时说话人错误(低电平)密码正确(高电平)，安全验证不通过(低电平)；本实施例中，高电平代表识别通过，低电平代表识别不通过。
实施例提供的这种自驱动声纹传感器，以及基于该自驱动声纹传感器的声纹识别安全***，通过收集声音在声纹传感器上产生的声压，将声压的机械能转换为电能，实现声纹传感器的自驱动功能；由于声纹传感器采用多孔高分子聚合物材料，具有极高的灵敏度，为准确的声纹传感与识别提供保障；而另一方面，该自驱动声纹传感器可卷曲、折叠加工，可在任意弯曲、任意角度下良好工作，设计精巧，制作较为简单，性能稳定，成本低廉，适合大规模的工业化生产。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种柔性发电元件，其特征在于，包括第一组件、第二组件和第三组件；
所述第一组件包括第一金属导电层和在该第一金属导电层的边缘形成的第一电极；所述第二组件包括高分子聚合物绝缘层及其内部的多孔结构；所述第三组件包括第二金属导电层和在该第二金属导电层的边缘形成的第二电极；
所述第一、第二、第三组件依次无间隙紧密贴合，通过声音在第二组件产生的声压使第二组件压缩或膨胀，从而产生包含所述声音信息的交流电流信号。
2.如权利要求1所述的柔性发电元件，其特征在于，所述高分子聚合物绝缘层的材料采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯这些材料中的一种或几种的组合；所述高分子聚合物为内部多孔结构。
3.如权利要求2所述的柔性发电元件，其特征在于，所述高分子聚合物内部孔径为1微米～100微米。
4.如权利要求2或3所述的柔性发电元件，其特征在于，所述高分子聚合物的内部多孔结构孔中充空气、氩气或氮气。
5.如权利要求2或3所述的柔性发电元件，其特征在于，所述高分子聚合物的内部多孔结构孔中充聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯。
6.如权利要求2或3所述的柔性发电元件，其特征在于，所述第一、第二金属导电层的材料采用金、银、铜、铝或氧化铟锡。
7.一种自驱动声纹传感器，其特征在于，由单个如权利要求1～6任一项所述的柔性发电元件构成，或由彼此并联或串联的多个如权利要求1～6任一项所述的柔性发电元件构成。
8.一种声纹识别安全***，其特征在于，包括依次相连的自驱动声纹传感器、滤波放大单元、数据采集单元、分析处理单元、控制单元和响应终端；
所述自驱动声纹传感器输出的交流电流信号经所述滤波放大单元滤波、放大和除噪后经所述数据采集单元采集后发送到分析处理单元进行语音识别和声纹识别，所述分析处理单元将识别结果发送到控制单元，通过所述控制单元输出的控制信号来控制所述响应终端做出相应响应。
9.如权利要求8所述的声纹识别安全***，其特征在于，所述滤波放大单元包括依次相连的多级电流放大电路、滤波电路和降噪电路。
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