(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210672519.9 (22)申请日 2022.06.15 (71)申请人 大连民族大学 地址 116600 辽宁省大连市大连经济技术 开发区辽河西路18号 (72)发明人 龙飞飞　赵倩　王健　孙向君　 沈书乾　程丽华　段志宏　 (74)专利代理机构 北京博尔赫知识产权代理事 务所(普通合伙) 16045 专利代理师 王灿 (51)Int.Cl. G01H 11/08(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种谐振式声传感器的开发方法 (57)摘要 本发明公开了一种谐振式声传感器的开发 方法，涉及传感器开发技术领域。计算目标传感 器的特定频率；根据压电晶体的静态和动态特性 设计所述目标传感器的结构；通过建模和物理场 仿真分析，对设计的所述目标传感器结构进行评 估和修正；通过压电结构和机械结构的设计与仿 真，达到降低传感器的开发难度、降低传感器研 发成本的目的。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 114964464 A 2022.08.30 CN 114964464 A 1.一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述谐振式声传感器的开发方法包 括以下步骤： 计算目标传感器的特定频率； 根据压电晶体的静态和动态特性设计所述目标传感器的结构； 通过建模和物理场仿真分析，对设计的所述目标传感器的结构进行评估和修正； 选择遗传算法进行对传感器进行多参数模型优化，将所述目标传感器与现有谐振式声 发射传感器进行对比，验证所述目标传感器的性能。 2.根据权利要求1所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述计算目标传感器的特定频率的方法： 在现有的窄带声传感器基础上，通过计算目标传感器特定频率，在频率范围内找到共 振点，利用声带凸起分布的特点对声传感器的模型进行频率限制，保留范围内的信号频率。 3.根据权利要求1所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述目标传感器的结构的设计方法的具体步骤为： 建立所述目标传感器的压电结构动力学模型，并且在基于正交试验的理论基础上利用 声压等级分布得到共振结构； 利用AutoCAD、SolidWorks软件绘制出具有共振结构的窄带声传感器模型； 基于数值分析设计所述目标传感器的机械结构。 4.根据权利要求3所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述压电结构的设计方法包括压电结构设计方法和机械结构设计方法。 5.根据权利要求4所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述目标传感器的压电结构的设计方法的具体步骤为： 计算得到传感器的固有频率f0，再分别计算模型刚度各影响因素的固有频率； 将每一个计算得到的固有频率与f0作比较，当忽略某一个刚度的影响因素后计算得到 的固有频率与f0相差小于1％，那么该被忽略的刚度的影响因素在简化动力学模型中忽略 不计；基于各影响因子之间的串联性，分析传感器各部件的受力情况确定各部件的刚度，通 过拟合压电结构的法向接触刚度和切向接触刚度之间的影响关系得切向接触刚度的经验 公式，并配合接触分形理论对传感器的固有频率关系进行确定； 根据压电片面积与压电结构的质量块之间的关系，先计算最小质量块体积和对应压电 片面积，代入动力学模型中进行计算，得出传感器的固有频率随压电片面积的变化规律；在 保证传感器的固有频率、尺寸要求基础上选择压电片的面积； 根据压电片所承载的刚度以及受到振动时的弯曲程度，确定电片的厚度； 根据压电结构动力学理论模型计算的所得数值，控制压电晶体的尺寸和压电片与接触 面的接触面积； 采用逐次增加压电片厚度的方法，对比电片厚度与传感器固有频率，进而选择电片厚 度。 6.根据权利要求4所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述机械结构设计方法的具体步骤为： 使用悬臂梁隔开底座与压电元件的直接接触；根据悬臂梁式的声传感器结构基础进行 结构的改性，确定结构形式；权　利　要　求　书 1/2页 2 CN 114964464 A 2根据频率性能的要求，确定质量块体积与质量；根据压电片与质量块的贴合性，确定质 量块与压电片的接触面积、质量块的厚度； 根据结构中插入导电片的预留空间，确定压电片与质量块相连接方式； 根据传感器受到激励时振动幅度导致的信号采集误差、底座厚度与固有频率的关系、 隔绝外壳的无效应变的因素，确定的底座形式； 通过判断电荷灵敏度和电压灵敏度来分析声传感器对声波的接收； 根据绝缘套筒绝缘要求对绝缘套筒的绝缘电阻进行设计计算，确定绝缘套筒的外径尺 寸。 7.根据权利要求1所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述建模和物理场仿真分析方法包括压电结构建模和物理场仿真分析方法、压电结构 和机械结构的耦合仿真分析方法。 8.根据权利要求7所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述压电结构建模和物理场仿真分析方法的具体步骤为： 利用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics建立声传感器压电结构的模型，通过有 限元模态分析得到在激励条件下传感器压电结构的振动变形、电势变化和力学变形形式； 并且在仿真物理场中判断设计的模型与理想的性能的差距。 9.根据权利要求7所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于， 所述压电结构和机械结构的耦合仿真分析方法： 将传感器的机械结构和压电结构进行机电力耦合，通过仿真验证得到传感器的频率范 围。权　利　要　求　书 2/2页 3 CN 114964464 A 3