[发明专利]纤维传声器

说明书

一种传声器包括：至少两个电极，所述至少两个电极是间隔开的，并被配置为具有在所述至少两个电极之间的空间内的磁场；导电纤维，所述导电纤维：悬置在所述至少两个电极之间；在受到波的空气或流体空间中；其中所述导电纤维具有的半径和长度使得所述导电纤维的至少中心部分的移动近似于包围所述导电纤维的空气或流体沿垂直于所述导电纤维的轴线的振荡移动。由于所述导电纤维在磁场内因包围所述导电纤维的移动的空气或流体的粘滞曳力而移动，在所述至少两个电极中的两个之间产生电信号。使用具有10nV/√Hz的输入噪声的放大器，所述传声器可以具有小于69dBA的本底噪声。

相关申请的交叉引用

本申请是2016年12月9日提交的美国临时专利申请号62/432,046的非临时申请并要求该申请的优先权的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明涉及通过粘滞曳力过程响应于声波的纤维传声器的领域。

背景技术

具有高空间和时间分辨率的小型化流动感测对许多应用都至关重要，这些应用诸如高分辨率流动映射[73]、受控微流体系统[74]、无人驾驶微型飞行器[75-77]、边界层流动测量[78]、低频声源定位[79]和定向助听器[37]。它具有牵涉到国防和民用任务、生物医学和保健、飞行器的节能和降噪、自然和人为危害监测和警告等[73-79、37、7]的重要社会经济影响。传统流动感测方法，诸如激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪和热线风速测定仪，已经在某些应用中取得显著成功。然而，它们在小空间中的适用性通常受它们的大尺寸、高功耗、有限带宽、与介质流动的高相互作用性和/或复杂设置的限制。在自然界中有许多感觉毛的示例，这些感觉毛通过因由周围介质施加的力而在垂直于感觉毛的长轴的方向上偏转来感测波动流动[80-83、2、65]。简单、有效和微小的基于天然毛的流动传感器为解决这些困难提供了灵感。已经创建基于各种换能方法的微型人工流动传感器，其受到了天然毛的启发[52、7、84-88]。不幸地，它们相对于周围的流的运动而言的运动远小于天然毛的运动，从而显著地限制它们的性能[52、7]。

定向助听器已经被证明是可使助听器用户更容易地听懂噪声中的语音[6]。在助听器中的现有定向传声器系统依赖两个传声器来处理声场，主要包括一阶定向小孔径阵列。当在嘈杂环境中使用助听器时，采用多于两个传声器的高阶阵列无疑将会在减少不想要的声音方面产生显著益处。不幸地，传声器自噪声、灵敏度匹配、相位匹配和尺寸的问题使得在每个助听器中采用多于两个传声器是不切实际的。

众所周知，当频率减小到低于传声器的主导谐振频率时，一阶阵列(使用一对传声器)的频率响应与频率成比例地下降。在二阶阵列中，响应随频率平方而下降，使得难以在所需频率范围内实现定向响应。无法通过使用信号处理来克服传感器技术中的这个基本限制；传声器中的固有噪声和在传感器匹配方面的困难构成不可逾越的性能障碍。需要的是一种用于如这里提出的定向声音感测的全新方法来改善助听器性能。众所周知，一阶响应和二阶响应的频率相依性的极端衰减的原因是响应是通过估计声压的第二空间导数中的第一个来实现。在典型声场(诸如平面波)中，随着频率减小，这些量固有地变得小得多。这里描述的纤维传声器将通过依赖对声粒子速度而不是压力的检测来规避一阶定向阵列的不利的频率相依性。这将使得能够创建具有固有平坦频率响应的一阶方向性。在阵列中使用这些装置将使得能够实现具有基于压力的一阶阵列的频率相依性的二阶方向性，如当前在助听器中使用的那样。

许多便携式电子产品，诸如助听器，需要微型定向传声器。当前微型传声器的另一个困难是它们对电容感测的依赖要求使用偏置电压和专用放大器来将压力感测振膜的运动换能为电子信号。本发明具有通过提供独立于频率的定向输出来避免所有上述困难的可能性，而不需要在多个空间位置对声音进行采样，并且也不需要外部电源。本发明具有提供非常低的成本的传声器的可能性。