流体流测量装置作为传声器的使用及含这种传声器的系统

本发明涉及流体流测量装置作为传声器的使用。

传统的传声器是利用与声频信号相关的压力波引起的一个膜片或类似物的机 械振动，该振动借助于的转换装置被转换成电变化信号，在电变化信号中产生的 频率相应于声频信号的频率。

本发明则是基于这样的原理，压力波及质量流波总是与声波相关，但是该流 体波相对于压力波具有相位移。与声频信号有关的流体波包括与压力波相同的频 率分布，因此也能用作声音测量的基础。

流体测量装置作为传声器使用已由：R.O.Fehr“Infrason ic thermistor microphone”(“亚音频热敏电阻微 音器”)，Journal of the Audio Engineeri ng Society，1970年4月18卷第2期，第128-132页所 公知。该出版物公开了使用热电阻风速计作湍流的测量。在该装置中，非常细的 导线被电加热并依赖于空气的湍流被冷却。导线的温度变化被记录为导线的电阻 变化。电阻的变化可通过合适的电子测量电路来检测，因此提供正比于容积流的 电信号。但是热电阻传声器是对容积流的方向不敏感的。此外，热电阻传声器使 容积流变化的频率增倍。在R.O.Fehr发表的文章中，公开了使用两个 热敏电阻来解决热电阻传声器的这些问题。当在两个热敏电阻的一个上具有容积 流时，迎风侧热敏电阻将被冷却，而另一热敏电阻将接收被风传递的来自第一热 敏电阻的热。接着，通过将该两热敏电阻连接到一个电桥电路的对立臂上，这两 个热敏电阻的温度变化被转换成变化的电信号。在该文章中所述的传声器据报导 仅工作在从0.1到20Hz的频率上。所使用的热敏电阻的直径据报导约为3 30μm(13mill)。因为由R.O.Fehr发表的该文章大约在25 年前，在声频范围中用于检测声波的基于流体流的传声器的发展方面的研究并没 有被展开。

美国专利4932250建议使用流体流测量装置作为用于检测超声波的传 声器。而在可听声音范围内用此检测声波的方案没被建议。

从多个文献中已公知了一种微型流体流测量装置，它包括至少一个加热元件 及至少两个布置在加热元件两相反位置上的温度传感器；例如参见德国专利申请 3611614，欧洲专利申请0268004，英国专利申请2,226,1 39，及T.S.J.Lammerink等人的“微体流传感器”Senso r and Actuator A，37-38(1993)，第45-50 页。在这些文献中没有一篇公开了使用流体流传感器作为传声器。

本发明的目的是提供一种传声器，它能够基于流体流测量来检测可听频率范 围内的声波。

为了实现该目的，最好是使用其本身是公知的用于流体流测量的技术及装置。 一个典型的能被有利地用于根据本发明的传声器中的流体流传感器的例子被描述 在“T.S.J.Lammerink等人的文章“Micro-liquid flow sensor”Sensors and Actuators A，37-38(1993)第45-50页中，如上所述。

本发明提出使用流体流测量装置作为检测声波的传声器，所述流体流测量装 置包括至少一个加热元件，至少一个布置在距加热元件第一预定间隔处的第一温 度传感器，用于产生与第一温度传感器的温度相对应的第一电信号，其中该预定 第一间隔小于300μm。

通过使用由微电子所公知的技术可以使这种流体流测量装置构成这样微型的 尺寸。意想不到的是，这种传声器的信噪比好，这直至10KHz或更高频率。 在本发明的一个实际实施中观察到良好的信噪比，可直至10KHz，其中有一 个加热元件附加两个温度传感器，后者位于加热元件两侧距40μm的间隔上。 因此当在加热元件与温度传感器之间提供的间隔小于50μm时可以用本发明的 传声器获得直到这样高频率上的良好信噪比。

该传声器的另一优点是它具有非常低的截止频率。传统的传声器因为测量压 力波的膜或类似物的固有刚性，不能够检测非常低频率的声频信号。在根据本发 明的传声器中，一方面，非常低频率的声频信号被转换成非常低频率的热信号， 后者又无衰减地转换成低频电信号。

本发明也涉及一种包括一传声器的系统，该传声器包括用于检测声波的流体 流测量装置，所述流体流测量装置包括至少一个加热元件，至少一个布置在距加 热元件第一预定间隔处的第一温度传感器，用于产生与第一温度传感器的温度相 对应的第一电信号，其中预定第一间隔小于300μm，该传声器还包括一个电 子测量电路用于测量所述第一电信号及提供一个电输出信号，该系统还包括一个 放大器，用以放大所述输出信号及提供一个放大的输出信号，以及一个与所述放 大器相连接的扬声器。

基于流体流波测量的传声器可有利地与基于压力波测量的传声器组合地使用。 利用这种型式的布置，可以测量声频信号的流体波及压力波两者，作为其结果， 不但存在测量其幅值的可能性，而且也存在确定传播声频信号的绝对传播方向的 可能性。

流体流测量装置作为传声器的使用的有利实施例，及包括基于流体流测量的 传声器的系统的有利实施例将由附设的权利要求中限定。

以下将参照附图来解释本发明，附图中描绘了根据本发明的传声器的优选实 施例，并且它们旨在说明本发明而非本发明的限制。附图为；

图1a表示基于流体流测量的传声器的侧视图；

图1b表示在图1a的传声器中引起的作为距离X函数的温度分布；

图1c表示图1a的传声器中多个部件的作为流体速度V的函数的温度分布；

图1d表示根据本发明的传声器的另一实施例；

图1e表示在图1d的传声器中对于不同的流体流引起的几种温度分布；

图2a表示图1a所示的传声器的概要顶视图；

图2b表示产生电信号的电桥电路，该电信号将代表由图1a的传声器所测 量的声波；

图3表示用于产生声波的概要电路图；

图4a-4d表示借助于根据本发明的传声器将声波转换成电信号的几种替 换电路图。    

图1a表示用于测量通过通道1的流体流2的几个参数的装置的例子。所述 装置对于测量诸如气体的物理参数，如气体密度，静态流情况下的流幅等参数其 本身已是公知的。作为流体流传感器，根据图1a的装置是基于公知的热风速计 原理。该装置包括加热元件H及两个传感器S1、S2。加热元件H及两个传感 器S1，S2均被放置在通道1中，通过该通道提供流体流2。加热元件H的宽 度为2L。传感器S1位于距加热元件H的一距离xm1处，而传感器S2位于 距加热元件H的一距离xm2处且与传感器S1反向布置。加热元件H及传感器 S1之间的间隔由标记r1表示，而加热元件H与传感器S2之间的间隔用r2 表示。为了简化测量，两个传感器S1，S2可位于距加热元件H的中心相同的 距离上。但是，这并非严格需要的。传感器S1，S2及加热元件H也不必如图 1a中所示地位于一条线上。也不一定要用图示的通道1。可根据所希望的输出 信号，选择其任何的几何结构。在与传统的压力波传声器的情况相类似的方式中， 可使用几何障碍，以便获得依赖于应用的流动波信号与电信号之间的希望的关系。

在使用期间，借助了外部能源(在图1a中未示出)来加热该加热元件H。 对两个传感器S1，S2的温度可单独地测量。

图1b表示作为距加热元件H的中心之距离x的函数的通道1内温度的变化。 该温度T在整个加热元件H上是常数，因此在位置x＝-L及x＝L之间是恒定 的。图1b中的曲线a表示在无流体流2通过通道1的情况下作为距离x的函数 的温度T的变化。在此情况下，通道1内温度T的变化图形是对加热元件H的中 点对称的。

正如众知的，从加热元件H到其周围的热传递是通过对流、幅射和/或传导 进行的。在与图1b的曲线a相关的情况下，对流为零，因为没有流体流2。

图1b中的曲线b与c表示对于流体流2的各种流率的作为距离x函数的温 度T的各种变化。对于曲线b及c，流体流2是向着图1a的右面的。因此，传 感器S1的温度低于传感器S2上的温度，因为作为对流结果的热传递仅发生在 向右的方向上。

图1c表示作为流体流2的速度V的函数的加热元件H、传感器S1及传感 器S2的温度。对于图1c，也是正速度V相应于向图1a中右方的流体流2。 在图1c中，Th表示加热元件H的温度，T1表示传感S1的温度，T2表示 传感器S2的温度，及ΔT表示传感器S1及S2的温度之差，故ΔT＝T2- T1。

对于传感器S1及S2围绕加热元件H的对称布置，所示Th(V)的曲线 对T轴对称，及ΔT(V)的曲线对原点对称。可以从图1C得到，流体流2的 速度V可以通过传感器S1及S2的温度测量单值地被确定。图1C中曲线的精 确形状取决于加热元件H产生的热，及作为传导及辐射结果的热传递，因而将需 要标定分度。

可以看到，在根据图2a的布置中，传感器S1及S2也被加热，当然，在 此情况下将引起不同于图1b及1c中所示的温度分布，但这些不同的温度分布 也将在通道1中单值地确定流体流2。

图1d表示根据本发明的传声器的变型实施例。该传声器不是应用如图1a 中所示的一个加热元件H加上两个传感器S1及S2，而是基于仅使用两个传感 器S1及S2，然而，至少传感器S1及S2中的一个需相对于流体流2的温度 被加热。

图1e表示可以在根据图1d的布置中发生三种温度分布。图1e中的曲线 a表示其中不具有液体流的平衡状态。对于曲线a假定两个传感器S1及S2均 被加热到相同程度，但是这不是严格需要的。甚至当传感器S1及S2被不同地 加热时，仍存在一个能使传声器定标的被单值地定义的曲线。曲线b代表当流体 流2向右方向即从传感器1向传感器2的一种状态。从而，传感器S1比传感器 S2更加被流体流2冷却，因为流体流从传感器S1向传感器S2传递热。曲线 C表示其中流体流2在相反方向传导，即从传感器S2到传感器S1的状态。根 据图1d的布置被预期比根据图1a的布置在音频范围上具有更高的频率特性。 但是，根据图1a的布置是最敏感的一种，因为使用了两个传感器。

在根据图1d的布置中，传感器S1或是传感器S2的加热可被省去。当仅 是一个传感器S1或S2被加热，而另一个用作非加热传感器时，该布置也可正 确地工作。在这个后一布置中，加热元件甚至不必作为传感器使用，也即，仅测 量元件S1或S2的一个上(变化的)输出信号就够了，另一元件仅作为加热器 使用。该情况在图1d中用“H/S2”来表示，意味着最后方的元件可以是 传感器S2、加热元件H或这两者。

图2a表示根据图1a的流体流布置的实际实施例的顶视图。关于该传感器 的数据例如在T.S.J.Lammerink等人的“微液体流传感器”，传 感器及致动器A37-38(1993)第45-50页中已经给出。通道1 可以被布置在一个300μm厚的硅盘上。通道1的高度(在图1a的侧视图中 看)例如为250μm，而通道1的宽度(在图2a中看)例如为1000μm。 加热元件H及传感器S1和S2最好由具有厚度为例如1μm的SiN条组成， 其顶部被蒸发沉积了一个金属层。所述金属层例如可包括一层具有200毫微米 厚度的CrAu层。但是也可用另外的材料，例如PN结。也可是放置在彼此顶 部的多个金属层。因此加热元件H及两个传感器S1及S2包括自由地浮在通道 1中的具有预定电阻值的条。对于所述电阻值，如在图2中用字母Rh，Ru及 Rd分别表示电阻元件H、温度传感器S1及温度传感器S2的电阻值。电阻条 R1及R2这样的布置，以便形成电子测量桥，这将要参照图2b加以说明。

每个电阻Rh，Ru，Rd，R1及R2可借助于适当选择尺寸的导电连接 衬垫3-8连接到外部装置上。

通过将加热元件H连接到预定的加热电压上或对它提供预定的加热电流，所 述元件将产生热。传感器S1及S2的电阻值Ru及Rd分别依赖于所述传感器 的温度，因此电阻Ru及Rd的测量是对传感器S1及S2的温度的直接测量。

图2b表示用于连接根据图2a的流体流传感器的电路图，其方式为可产生 出输出电压ΔU。该输出电压是对于提供给根据图2a的液体流传感器上声频信 号的直接量度。因此，图2b表示一种电路，当它连接到根据图2a的装置上的 适于提供一种微音量。在根据图2b的电路中，连接片7连接到加热电压Uh， 而连接片4连接到地。电阻Ru位于连接片3和4之间，而电阻Rd位于连接片 5及4之间。包括电阻R3，R5及R4的串联电路设置在连接片3和5之间。 电阻R5是一个可变电阻，它具有一个连接点，在其上可连接用于由电阻Ru， Rd，R3，R5及R4组成的测量桥的调整电压Ub。连接片8连接到电容C 1及连接片6连接到电容C2。在工作期间，在根据图2b的电路输出端上产生 出分别依赖于传感器S1及S2的电阻值Ru及Rd的输出电压ΔU。所述输出 电压ΔUo是电阻Ru及Rd的电阻变化值的函数，因此也是传感器S1及S2 的温度差变化值的函数。作为使用电容器C1及C2的结果，根据图2b的电路 仅适于测量电压的变化而不适于测量传感器S1及S2上连续的电压差。换言之， 根据图2b的电路适于测量通过通道1的流体流2的幅值变化。当然，可使用另 外合适的高通滤波器取代电容器C1和C2。

利用图2a中的装置，首先使流体流的幅值变化转换成传感器S1及S2的 温度差变化。因为该转换步骤，仅当传感器S1，S2及加热元件H之间的隔开 间隔r1，r2不是太大时，流的变化速度能被正确的测量。如果选择的间隔r 1，r2太大，流体流2中的高频变化将难于在传感器S1及S2上产生出可检 测的温度差变化。但相反地，如果选择的间隔非常小，流体流2的幅值变化将产 生出传感器S1及S2温度的易于检测的变化。

现在为了使图2a中所示装置适于作为用于可听范围内频率的传声器，就必 须易于检测具有可听范围内频率的流体流2的幅值变化。在实际已被制造的微音 器中，传感器S1及S2和加热元件之间的隔开间隔r1，r2分别为40μm。 为了用作音频范围的传声器，隔开间隔最好小于300μm。使用根据图2b的 电路，可以使用该传声器检测达到非常高频率的声频波：达到至少10KHz， 将得到良好的信噪比。

基于根据图2a的流体流传感器的传声器的附加优点是，声频波的低频也可 使用该传声器未衰减地被测量。传统的压力传声器几乎不能对声频波的低频进行 响应，因此仅是带有衰减地重放出这些低频。

图3概要地表示一个放大器9及一个与其连接的扬声器10，通过它们可使 输出信号ΔUo转换成放大的声频信号。因为基于流体流测量的传声器表现出一 个1/f的特性(f是音频波的频率)，放大器9最好具有线性的f特性，或换 句话说，表现出第一阶特性。

在图2b中所示的电阻的标定值例如为以下值：Rh＝800Ω，Ru＝R d＝3300Ω，R1＝R2＝725Ω，R3＝R4＝3300Ω及R5＝1 00Ω。Rh，Ru及Rd也可为另外的值。最好，Rh，Ru及Rd的电阻值 在20-5000Ω的范围内。

对于本领域中的熟练技术人员来说，显然可看出图2b仅是一个图解的电路 实施例，通过它可以对传感器S1及S2的温度变化进行电测量。另外的电路 也是可能的，如下面参照图4a-4d所说明的。唯一的基本特征是，传感器S 1及S2的温度差变化借助于合适的电路转换成交变电压，其频率分别相当于传 感器S1及S2的温度T1及T2的温度变化频率。在根据图2a的布置中，形 成根据图2b桥连接部分的电阻R1及R2也被集成在传声器中。但是不一定为 该情况。它们甚至可被整个地去掉，即R1＝R2＝0Ω。另一方面，也可以集 成电阻R3，R5及R4(图2b)。当然，所述电阻R1至R5必须被布置在 离加热元件H的一段距离处，以使后者对它们的阻值无影响。

图4a-4d表示用于将Ru及Rd的电阻值变化转换成电信号即变化电流 或变化电压的一些替换电路。

每个图4a-4d的替换电路是基于一种Widlar电流镜或“小器件 (gadget)”的应用，其中电阻Ru作为发射极电阻连接到晶体三极管T1， 该晶体管的基极与其集电极短路，电阻Rd作为发射极电阻与晶体三极管T2相 连接。晶体管T1及T2的基极彼此相连接。

晶体管T1的集电极可通过电阻R11与电源电压Vb相连接，如图4a中 所示，或可与一电流源I相连接，如图4b中所示。在图4a的实施例中，晶体 管T2的集电极通过电阻R12与电源电压Vb相连接。输出电压Vo可在晶体 管T2的集电极与地之间得到，如图4a所示。

在根据图4b的布置中，输出信号是晶体管T2的集电极电流Io。但是， 在图4b电路中的Io可通过在晶体管T2的集电极上连接一电阻而转换成输出 电压。

图4c表示另一替换电路，但是其中晶体管T1，T2及电阻Ru，Rd的 基本连接没有改变。晶体管T1的集电极经由电阻R13与一个pnp晶体管T 3的集电极相连接。晶体管T3以Widlar电流镜的结构与pnp晶体管T 4及发射极电阻R11和R12相连接，如图4c所示。晶体管T4的集电极与 晶体管T2的集电极相连接。电阻R11，R12可以是基于流体流测量的另一 传声器的传感器，如电阻Ru，Rd那样。另一方式是，或是电阻Ru和R12， 或是Rd和R11相组合作为基于流体流测量的传声器的一部分。类似地，任何 电阻Ru，Rd，R11或R12可作为仅具有一个加热元件及一个电阻的微音 器(见图1d)的一部分。

图4d表示将电阻Rd及Ru电阻值变化转换成变化电信号的一个电路，在 其中使用了三个级联式Widlar电流镜。第一电流镜等于图4b的电流镜布 置，它的输出连接到晶体管T3，T4及发射极电阻R11，R12的一个pn p Widlar电流镜的输入端。后一pnp Widlar电流镜的输出连 接到由晶体管T5，T6及发射极电阻R15，R16组成的一个npn Wi dlar电流镜的输入端相连接。晶体管T6的集电极电流提供为该电路的输出 电流Io。通过在晶体管T6的集电极上连接一个电阻，如在图4a中的电阻R 12可将输出电流Io转换成输出电压。与根据图4c的电路布置相类似，电阻 R11，R12，R15，R16可以或是单独地或是与另一相组合作为基于流 体流测量的传声器的一部分。

根据图4a-4d的布置的优点在于，它们易于操作并比图2b的惠斯登电 桥结构具有更大的容差。

应该指出，图4a-4d所示的电路包括双极性晶体管，并且，也可替代地 使用MOSFET或JFET，对于更详细地考察根据图4a-4d的电路，读 者可参考H.E.de Bree等人的“The μ-Flown，a no vel device measuring acousticalflow s”于95年斯得哥尔摩传感器会议发表(1995年6月26日)；H.E. de Bree著的“The Wheatstone Gadget，a s imple circuit for measuring differe ntial resistance Variations”(待出版)。

可以看出，用于测量两个(或多个)可变电阻Ru，Rd之间的差分电阻值 的图4a-4d的电测量电路也可用在另外的结构、即其中电阻Ru、Rd不是 作为基于流体流测量的传声器的一部分的结构中。

因为尺寸小及其低频的灵敏度，上述的传声器提供了许多有利的应用，其中 的一些列在下面：

1、对于测量湍流，需要应用对非常低的频率敏感的小传声器。根据本发明 的传声器适合此种需要。

2、根据本发明的传声器可应用于声感成象(声感全息摄影)领域中。声感 成象是借助一个传声器阵列(例如128×128个位置)来测量声频场的方法。 在目前，该方法可借助压力传声器而实现。但是，压力传声器价格贵，并更有 甚者，压力传声器总体上影响了声频场。这里所述的传声器预计成本只为压力微 音器成本的几分之一。此外，因为根据本发明的传声器是基于流体流的测量，因 此它几乎不影响待测之声频场。

3、根据本发明的传声器可使用在水中测声的领域，例如它被用来减小船舶 产生的噪音。为此目的，需要的传声器是不会在水中降级的并呈现高达5KHz 的频率范围。当使用一种本技术领域熟练技术人员本身所公知的具有如水一样的 声频阻抗的胶时，根据本发明的微音频器可构成不易受水的影响。

4、根据本发明的传声器可有利地应用于飞机。为了测量飞机的的声波，目 前，测量压力波及流体波两者。在现在，流体波是从不同地点的压力波推导出来 的。但是，在低频(即100Hz左右)该方法由于相位移问题导致误差。该问 题的解决是在一个位置上测量容积流，这可以用这里所述的传声器很容易地实现。 该传声器在100Hz左右很敏感，且该传声器的尺寸可使得能在一个位置上测 量容积流。

5、根据本发明的传声器可用于评价一个管内的驻波，在这种分析时借助于 驻波管测量材料的反射系数。但是，这是很复杂的方法，它可以借助压力传声器 和基于流体流测量的传声器的组合来简化。

6、根据本发明的传声器可用作单极性传声器，用于在单一点上进行立体声 测量。这样一种传声器可有利地用于明线电话机(open line tel ephones)中。这种电话机使用在货币及股票市场的领域中。这是一种离 手式电话机，即没有收话器但包括一传声器R和一布置在室内的大扬声器，但是 其特点是扬声信号总不能被抑制。在离手式电话机中，一旦某人对传声器说话， 扬声信号就被抑制以免声音回馈。在使用单极性传声器时，可避免这种声音回馈。 这种单极性可以通过将压力传声器及基于流体流测量的传声器的组合及叠加两者 的输出信号来实现。

7、根据本发明的传声器可使用于超声速测量。由螺旋浆及蜗轮风扇式发动 机产生的噪音在风速约为声速的风道中作测试。在这种测试期间空气流不被扰动 是非常重要的。声波压力为140dBSPL数量级，而观察的频率低于2H z。因此，这里所述的传声器非常适于用在该测量布置中。根据本发明的微音器 很小，并且声波压力非常高，而频率相对的低。大体上，可使用一个传感器及一 个加热器结构进行测量。

8、根据本发明的传声器可用于测量飞机机体的声波幅射。为了尽可能精确 地测量，需要尽可能接近机体进行测量。根据现有技术的强度传感器显得太大而 不能胜任。但是基于流体流测量的传声器及压力传声器的组合能用于进行这种测 量。

9、声波是由压力波及流体波整体地确定的。因此，通过压力传声器及基于 流体流测量的传声器的组合，可以精确地测量声波。因此，这种组合在防噪音系 统中比仅用压力传声器提供了更好的可能性，以便尽可能精确地测量声波。

10、借助于例如三个垂直布置的基于流体流测量的传声器及压力传声器可 以测量声波的方向。最好，在这种布置中，基于流体流测量的传声器必须作成只 对一个方向敏感。