專(zhuān)利名稱(chēng)：聲波檢測(cè)設(shè)備和聲波源定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲波檢測(cè)設(shè)備和聲波源定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明例如可應(yīng)用于檢測(cè)影響在家中単獨(dú)生活的年長(zhǎng)或體弱者的跌倒或異常狀況。公布號(hào)為FR 2879885的法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)描述了通過(guò)使用對(duì)板的碰撞將會(huì)在板中生成地震聲波的事實(shí)來(lái)定位該碰撞的原理。通過(guò)用于計(jì)算碰撞地點(diǎn)與多對(duì)聲波檢測(cè)設(shè)備(每對(duì)都包括壓電換能器)之間的差分傳送時(shí)間的方法進(jìn)行定位。在此文獻(xiàn)中，把每對(duì)的兩個(gè)設(shè)備固定到板的傾斜邊緣的兩側(cè)。此配置——把設(shè)備固定在板和傾斜邊緣的兩側(cè)——允許通過(guò)對(duì)稱(chēng)模式的衰減來(lái)獲得地震波反對(duì)稱(chēng)傳播模式的良好靈敏度。檢測(cè)ー個(gè)傳播模式而非另一個(gè)傳播模式的事實(shí)允許解決兩個(gè)模式之間的傳播速度差異的問(wèn)題。然而，此文獻(xiàn)的內(nèi)容僅可應(yīng)用于板較薄、具有傾斜邊緣以及具有兩個(gè)可接近表面的情況下。此外，文獻(xiàn)FR 2879885描述了板還可以在可能情況下用作聲學(xué)天線(xiàn)并因此向聲波檢測(cè)設(shè)備傳輸語(yǔ)音壓縮波，聲波檢測(cè)設(shè)備因此作為傳聲器。然而，板僅在它很薄的情況下作為聲學(xué)天線(xiàn)。因此期望提供允許解決上述問(wèn)題和約束中至少一部分的聲波檢測(cè)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目的是ー種聲波檢測(cè)設(shè)備，包括被設(shè)計(jì)成提供檢測(cè)信號(hào)的壓電換能器以及還包括具有諧振頻率并包含如下內(nèi)容的聲學(xué)諧振器一具有自由表面的諧振體，該自由表面被設(shè)計(jì)為貼靠在基板上，在所述基板中要傳播具有包括諧振器的諧振頻率的頻譜的地震聲波，以使得地震聲波經(jīng)由該自由表面使聲學(xué)諧振器諧振，和一傳聲器膜，被設(shè)計(jì)為在具有包括諧振器的諧振頻率的頻譜的空中聲波的作用下振動(dòng)，以使得空中聲波經(jīng)由傳聲器膜使聲學(xué)諧振器諧振，壓電換能器固定到聲學(xué)諧振器上以使得壓電換能器一方面當(dāng)聲學(xué)諧振器在地震聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第一檢測(cè)信號(hào)分量，另ー方面當(dāng)聲學(xué)諧振器在空中聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第二檢測(cè)信號(hào)分量。因此，聲學(xué)諧振器同時(shí)向壓電換能器傳送地震聲波和空中聲波。特別地，在不借助基板的可能有的聲學(xué)天線(xiàn)的情況下檢測(cè)空中聲波。本發(fā)明的設(shè)備因此無(wú)論基板的表面面積 或厚度如何都可以用作雙介質(zhì)(空氣介質(zhì)和固體介質(zhì))傳感器。此外，所獲得的檢測(cè)設(shè)備不需要訪(fǎng)問(wèn)基板的兩個(gè)面并不要求提供傾斜邊緣?？蛇x地，聲學(xué)諧振器包括諧振盤(pán)，諧振盤(pán)包括一恒定厚度的環(huán)形外周部分，壓電換能器至少部分地固定到環(huán)形外周部分上，和
一包括傳聲器膜的圓形中央部分。還可選地，壓電換能器包括至少固定到諧振盤(pán)的環(huán)形外周部分上的環(huán)形壓電元件。還可選地，諧振盤(pán)的圓形中央部分具有從其外周直到其中心遞減的厚度。還可選地，該設(shè)備包括布置在聲學(xué)諧振器中井部分地由傳聲器膜限定的腔。還可選地，諧振盤(pán)的圓形中央部分具有小于環(huán)形外周部分的厚度的恒定厚度，以使得腔是柱狀。還可選地
一壓電元件具有相對(duì)于中心軸線(xiàn)的軸向?qū)ΨQ(chēng)以及相對(duì)于中心軸線(xiàn)的徑向模式下的基本諧振頻率,和一聲學(xué)諧振器具有相對(duì)于中心軸線(xiàn)的軸向?qū)ΨQ(chēng)以及小于壓電元件的基本諧振頻率的相對(duì)于中心軸線(xiàn)的徑向模式下的基本諧振頻率。還可選地，聲學(xué)諧振器的基本諧振頻率介于I千赫茲和10千赫茲之間。還可選地，聲學(xué)諧振器由単體部件構(gòu)成。本發(fā)明的另一目的是ー種聲波源定位系統(tǒng)，包括一基板，其中要傳播地震聲波，—至少兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的聲波檢測(cè)設(shè)備，所述聲波檢測(cè)設(shè)備的自由表面貼靠在基板上，以及一處理單元，處理由聲波檢測(cè)設(shè)備提供的檢測(cè)信號(hào)，處理單元被設(shè)計(jì)為通過(guò)基于所提供的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算差分傳送時(shí)間來(lái)定位聲波發(fā)射源。


本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的以下描述中變得清楚，該描述僅是示例。該描述參照附圖進(jìn)行，在附圖中ー圖I是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的聲波檢測(cè)設(shè)備的三維俯視圖，ー圖2是圖I的設(shè)備的三維仰視圖，ー圖3是圖I的設(shè)備的剖面圖，ー圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的聲波檢測(cè)設(shè)備的剖面圖，ー圖5是在其中傳播地震聲波、以及在其上固定根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的聲波檢測(cè)設(shè)備的基板的剖面圖，ー圖6和7表示在地震聲波的作用下圖5中的聲波檢測(cè)設(shè)備的移動(dòng)，以及ー圖8是包括根據(jù)圖I至3或圖4的多個(gè)聲波檢測(cè)設(shè)備的聲波源定位系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式在圖I至3中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的地震和空中(也稱(chēng)為顫噪的，傳聲器的)聲波檢測(cè)設(shè)備10。參照?qǐng)D1，設(shè)備10首先包括用于通過(guò)地震聲波或空中聲波諧振的聲學(xué)諧振器12，如下面將解釋的那樣。聲學(xué)諧振器12由一個(gè)單體部件構(gòu)成以便有效地傳播聲波，以及相對(duì)于中央軸線(xiàn)A軸向?qū)ΨQ(chēng)。為了清楚，中央軸線(xiàn)A在本說(shuō)明書(shū)中定向?yàn)閺南孪蛏?。然而，它可以具有任何朝向。聲學(xué)諧振器12優(yōu)選地由金屬(例如，鋁或杜拉鋁(注冊(cè)商標(biāo)))制成。在示例的實(shí)施方式中，聲學(xué)諧振器12包含具有平坦上表面16并以中央軸線(xiàn)A為中心的諧振盤(pán)14。設(shè)備10還包括固定到聲學(xué)諧振器12的上表面16的壓電換能器18。壓電換能器18包括也相對(duì)于中央軸線(xiàn)A軸向?qū)ΨQ(chēng)的環(huán)形壓電元件20。在圖I中示出的示例中，環(huán)形壓電元件20呈具有與諧振盤(pán)14的外徑相等外徑的平坦墊片的形狀。壓電元件20可以例如由PZT (鋯鈦酸鉛)陶瓷制成。壓電換能器18還包括由覆蓋壓電元件20的上表面的導(dǎo)電層(例如可焊接的銀漿)構(gòu)成的上電極22、以及由覆蓋壓電元件20的下表面的同樣導(dǎo)電層構(gòu)成的下電極24 (在圖3中可見(jiàn))。下電極24在壓電元件20上表面上包括返回部件26，從而便于促進(jìn)其連接。壓電換能器18具有非常高的軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向振動(dòng)模式下的基本諧振頻率，很大程度地大于諧振器12的軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向振動(dòng)模式下的基本諧振頻率。
諧振器12的基本諧振是根據(jù)其要被固定到的基板來(lái)選擇(通過(guò)調(diào)整諧振器12的幾何形狀)的。對(duì)于傳播低頻波的較大厚度的基板，如，住所的地板，諧振器12的基本諧振頻率優(yōu)選地介于I千赫茲與10千赫茲之間。對(duì)于在傳播較高頻率波的薄板上的定位應(yīng)用，諧振器12優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成具有介于50千赫茲與100千赫茲之間的基本諧振頻率。對(duì)于在還具有小尺寸(例如，小于十平方米，特別地約I平方米)的薄板上的定位應(yīng)用，有利的是檢測(cè)由它生成的空中聲波進(jìn)行的碰撞，特別是因?yàn)榇丝罩新暡ㄒ詥惟`傳播速度(例如，在20° C毎秒343米)傳播。因此，這允許解決在薄板中對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)傳播模式之間的傳播速度差異的問(wèn)題。在此情形中，諧振器的基本諧振頻率是在I千赫茲與10千赫茲之間重新選擇的。由于諧振器12的體積顯著大于壓電換能器18，所以諧振器12充當(dāng)主要使它的諧振頻率附近(特別是它的基本諧振頻率附近)的那些頻率通過(guò)的濾波器。因此，壓電換能器僅受到諧振器12的諧振頻率附近的頻率的作用。這樣的效果是保護(hù)壓電換能器免于較高頻率的影響并獲得此諧振頻率附近的檢測(cè)信號(hào)，這便于信號(hào)的處理。檢測(cè)設(shè)備10在其上電極22和下電極24的返回部件26上還包括環(huán)形的并固定到壓電換能器18的印刷電路板，稱(chēng)為PCB 28。在圖I中把印刷電路板28示出為部分地分割開(kāi)。設(shè)備10還包括覆蓋印刷電路板28的上表面的上導(dǎo)電層30，將在稍后詳述其益處。設(shè)備10還包括同軸電纜32，同軸電纜32的芯經(jīng)由印刷電路板28連接到壓電換能器18的上電極22和下電極的返回部件26的護(hù)板。參照?qǐng)D2，諧振盤(pán)14包括具有恒定厚度和平坦下環(huán)形表面35的環(huán)形外周部分34。環(huán)形外周部分34的下環(huán)形表面35是自由表面，也就是無(wú)約束的表面，被設(shè)計(jì)成貼靠在要傳播地震聲波的基板上，如后面詳述的那樣，以使得地震聲波經(jīng)由此自由表面35使得聲學(xué)諧振器12諧振。諧振盤(pán)14還包括填充由環(huán)形外周部分34限定的圓形內(nèi)部空間的圓形中央部分36。中央部分36具有遞減的厚度，從該厚度等于環(huán)形外周部分的厚度的環(huán)形外周部分34、向該厚度最小的中央軸線(xiàn)A遞減。厚度的遞減例如是線(xiàn)性的。因此，朝向底部開(kāi)放的錐形腔38被布置在聲學(xué)諧振器12中，該腔38由諧振盤(pán)14的中央部分36限定并通過(guò)下環(huán)形表面35形成邊緣。參照?qǐng)D3，聲學(xué)諧振器12包括厚度例如小于I毫米的傳聲器膜40。在示例中，諧振盤(pán)14的圓形中央部分36包括傳聲器膜40,傳聲器膜40在圓形中央部分36的中心(該處厚度小于I毫米)延伸。把傳聲器膜40設(shè)計(jì)成在空中聲波的作用下振動(dòng)，以使得空中聲波經(jīng)由傳聲器膜40使聲學(xué)諧振器12諧振。聲學(xué)諧振器12還包括厚度比傳聲器膜40的厚度大的諧振體42。在示例中，通過(guò)環(huán)形外周部分和通過(guò)圓形中央部分36的在大于I毫米的厚度上圍繞膜40延伸的部分形成諧振體42。在圖3中，通過(guò)虛線(xiàn)把諧振體42和傳聲器膜40分開(kāi)。如在圖3中可以看出的，腔體38部分地通過(guò)傳聲器膜40限定。此外，壓電換能器18固定到諧振盤(pán)14的主體上，同時(shí)在環(huán)形外周部分34上和在 圓形中央部分36上。壓電換能器18通過(guò)液體膠(優(yōu)選地，氰基丙烯酸鹽粘合劑，例如，樂(lè)泰407 (注冊(cè)商標(biāo)))固定，這允許諧振器12能夠在它諧振時(shí)向壓電換能器18施加機(jī)械約束，因此壓電換能器提供在其下電極24與上電極22之間的電勢(shì)差形式的檢測(cè)信號(hào)。優(yōu)選地，把壓電換能器18的下電極24和印刷電路板28的上導(dǎo)通層30連接在一起，以及連接到電學(xué)地，例如，二者連接到線(xiàn)纜32的護(hù)套。下電極24和上導(dǎo)通層30隨后形成從上面和下面覆蓋壓電元件30由此保護(hù)它免于外界電學(xué)干擾的法拉第籠，這改進(jìn)測(cè)量。優(yōu)選地，設(shè)備10的尺度如下。諧振盤(pán)14的直徑介于20毫米與100毫米之間，例如為50毫米。環(huán)形外周部分34的厚度介于I與5毫米之間，例如為2毫米，而圓形中央部分36的中心的厚度介于0. I與I毫米之間，例如0. 5毫米。壓電元件20的外徑等于諧振盤(pán)14的外徑，它的內(nèi)徑介于10與40毫米之間，例如20毫米。壓電元件20的厚度小于或等于I毫米，例如為0. 45mm。電極22和24以及導(dǎo)通層30的厚度小于或等于50微米，例如為35微米。仍參照?qǐng)D3，在使用位置中示出了設(shè)備10，在使用位置中設(shè)備10通過(guò)其自由的下環(huán)形表面35固定到其中傳播地震聲波的基板44的上表面43?？梢园言O(shè)備10的自由的下環(huán)形表面35例如粘合到基板44的上表面43，優(yōu)選地，使用氰基丙烯酸鹽粘合劑粘合，例如樂(lè)泰407類(lèi)型，或者使用環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑粘合。由于自由的下環(huán)形表面35圍繞腔38，所以此腔由基板44封閉，以使得腔38形成用于膜40的諧振腔，也就是說(shuō)，腔中的壓カ相對(duì)于膜40的其它側(cè)的壓カ是恒定的(相對(duì)于聲波的持續(xù)時(shí)間)。優(yōu)選地，以密閉的方式封閉腔體38，以防止腔體38與腔體38外部之間空氣流通。在圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的聲波檢測(cè)設(shè)備50。該設(shè)備50在很大程度上與圖I至3中示出的類(lèi)似，對(duì)于相同部件使用同樣附圖標(biāo)記。只是諧振盤(pán)的形狀不同并且現(xiàn)在編號(hào)為52。諧振盤(pán)52包括比環(huán)形外周部分34的厚度小的恒定厚度的圓形中央部分54。因此，在聲學(xué)諧振器12中布置柱狀的腔55，腔55在上部通過(guò)圓形中央部分54限定并在橫向上通過(guò)環(huán)形外周部分34限定。一旦把設(shè)備50固定到基板44上，腔55還在下部通過(guò)此基板44限定，就如圖4中所示。在此實(shí)施方式中，圓形中央部分54全部都形成聲學(xué)膜56，而環(huán)形外周部分34全部都形成諧振體57。
另外，把壓電換能器18只固定到諧振盤(pán)52的環(huán)形外周部分34上。優(yōu)選地，諧振盤(pán)52的尺度如下(其它部件具有針對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式表明的尺度)。諧振盤(pán)52的直徑介于20毫米與100毫米之間，例如，為50毫米。環(huán)形外周部分34的厚度介于I與5毫米之間，例如為I毫米，而圓形中央部分54的厚度介于0. I與I毫米之間，例如為0.2毫米。因此聲學(xué)諧振器12具有軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向振動(dòng)模式下的3. 5千赫茲的基本諧振頻率。根據(jù)第二實(shí)施方式的設(shè)備50與根據(jù)第一實(shí)施方式的設(shè)備10相比對(duì)空中聲波敏感三倍?，F(xiàn)在將描述一旦固定到基板44上設(shè)備10和50的運(yùn)作。參照?qǐng)D5,地震聲學(xué)表面波60沿基板44的上表面43在基板44中傳播。地震聲波60對(duì)應(yīng)于延伸的變形。地震聲波60例如在基板44的厚度大于它的波長(zhǎng)的情況下是瑞利波(在圖5中示出)或在基板44是板形(厚度較小，至多約波長(zhǎng)的尺度)的情況下是蘭姆波(lamb wave)。在這兩個(gè)情形中，地震聲波60包括與垂直于上表面43的材料變形相對(duì)應(yīng)的稱(chēng)為“平面外”的分量和與沿著上表面43的材料變形相對(duì)應(yīng)的稱(chēng)為“平面中”的分量。聲學(xué)諧振器12對(duì)波長(zhǎng)等于它的直徑兩倍(對(duì)于直徑為50mm的聲學(xué)諧振器12,為100mm)的地震聲波60的機(jī)械分量特別敏感，這對(duì)應(yīng)于在其基本諧振頻率上工作。在板中，這種振動(dòng)可以根據(jù)對(duì)稱(chēng)模式和反對(duì)稱(chēng)模式傳送，但是當(dāng)由相同碰撞引起兩種模式時(shí)以不同比例傳送，這會(huì)在碰撞強(qiáng)度未知的情況下產(chǎn)生由差分傳輸時(shí)間導(dǎo)致的定位準(zhǔn)確性的問(wèn)題。在現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)使用彼此面對(duì)在板的兩側(cè)上粘合的傳感器以便完全辨別對(duì)稱(chēng)模式來(lái)去除對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)模式之間的可能檢測(cè)混淆，這使得可以使用最大増益放大電子器件工作?，F(xiàn)有技術(shù)實(shí)際上和作為結(jié)果致使在地震信號(hào)到來(lái)時(shí)放大電子器件飽和，這是因?yàn)樗雎钥赡茉趤?lái)自碰撞的空中信號(hào)與地震信號(hào)之間存在的相關(guān)性。對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)模式之間的混淆風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)本發(fā)明以不同方式去除第一，通過(guò)減小工作頻率(對(duì)于相同的板厚度)以減小信號(hào)中包含的對(duì)稱(chēng)模式相對(duì)于反對(duì)稱(chēng)模式的比例；第ニ，使用較小增益以便允許幅度變化的范圍并能夠通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)直接測(cè)量波束的頭部處的碰撞強(qiáng)度(在現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)測(cè)量板中的地震信號(hào)的混響時(shí)間來(lái)量化強(qiáng)度)；第三，通過(guò)使用來(lái)自碰撞的傳聲器信號(hào)在更長(zhǎng)時(shí)間上分析信號(hào)。碰撞后的一秒內(nèi)的信號(hào)的時(shí)間形狀分析和傅立葉分析允許推導(dǎo)碰撞的類(lèi)型和強(qiáng)度以及交互模式和應(yīng)當(dāng)是碰撞后的10毫秒內(nèi)地震信號(hào)幅度的后驗(yàn)值。這些分析特別允許驗(yàn)證在利用地震信號(hào)的情況下對(duì)于對(duì)稱(chēng)模式預(yù)期的最大幅度是不會(huì)干擾定位操作的類(lèi)型。這在交互形式已知時(shí)更是如此，例如，對(duì)于波或指尖(指肚和指甲)的平坦部分與漿狀物的碰撞。用于去除混淆風(fēng)險(xiǎn)的第二方法包括利用來(lái)自碰撞的傳聲器信號(hào)和包括通過(guò)關(guān)于空中波的差分傳送時(shí)間進(jìn)行定位。在地震聲波60的頻譜包括根據(jù)軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向振動(dòng)模式的至少ー個(gè)諧振頻率(優(yōu)選地，根據(jù)此模式的基本諧振頻率)時(shí)，聲學(xué)諧振器12根據(jù)該模式諧振，這是因?yàn)樵擃l率通常產(chǎn)生最強(qiáng)諧振。因此，地震聲波60經(jīng)由下環(huán)形表面35使聲學(xué)諧振器12諧振。然后這樣諧振的聲學(xué)諧振器12對(duì)壓電換能器18施加機(jī)械約束，這表現(xiàn)為電極22與24之間的電勢(shì)差，該電勢(shì)差構(gòu)成檢測(cè)信號(hào)分量，以后稱(chēng)作地震分量。
另外，正在周?chē)諝庵袀鞑サ目罩新暡ǖ竭_(dá)傳聲器膜40或56。在空中聲波的作用下，傳聲器膜40或56振動(dòng)，以使得空中聲波經(jīng)由傳聲器膜40使聲學(xué)諧振器12也根據(jù)軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向諧振模式諧振。然后這樣諧振的聲學(xué)諧振器12對(duì)壓電換能器18施加機(jī)械約束，這表現(xiàn)為電極22與24之間的電勢(shì)差，該電勢(shì)差構(gòu)成檢測(cè)信號(hào)分量，以后稱(chēng)作傳聲器分量。因此由設(shè)備10或50提供的檢測(cè)信號(hào)根據(jù)接收到地震聲波還是空中聲波而包括地震分量或傳聲器分量。應(yīng)注意到聲學(xué)諧振器12充當(dāng)對(duì)地震聲波或空中聲波的頻率濾波器。事實(shí)上，與諧振頻率對(duì)應(yīng)以及特別是與基本諧振頻率對(duì)應(yīng)的波頻率被非常強(qiáng)地傳送，然而諧振頻率以外的頻率被顯著衰減。參照?qǐng)D8，用于定位聲波源的系統(tǒng)70包括板狀的基板72?；?2可以是例如住所的地板、或者更加薄的板，如，桌子。
系統(tǒng)70還包括固定到基板上的四個(gè)聲波檢測(cè)設(shè)備74A、74B、74C和74D。這些設(shè)備74A、74B、74C和74D中的每個(gè)都例如符合圖I至3中所示的第一實(shí)施方式、或者符合圖4中的第二實(shí)施方式。每個(gè)設(shè)備74A、74B、74C和74D在由該設(shè)備經(jīng)由其貼靠到基板的表面35檢測(cè)到地震聲波時(shí)提供包括地震分量的檢測(cè)信號(hào)、或者在由該設(shè)備經(jīng)由其傳聲器膜40或56檢測(cè)到傳聲器聲波時(shí)提供包括傳聲器分量的檢測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)70還包括設(shè)備74A、74B、74C和74D的檢測(cè)信號(hào)的處理單元76。處理單元76被設(shè)計(jì)為檢測(cè)在檢測(cè)信號(hào)的每個(gè)中預(yù)定義的頻率附近的活動(dòng)。優(yōu)選地，預(yù)定義的頻率等于設(shè)備74A、74B、74C和74D在其軸向?qū)ΨQ(chēng)徑向諧振模式下的基本諧振頻率。所述活動(dòng)對(duì)應(yīng)于檢測(cè)信號(hào)中的地震分量的出現(xiàn)或?qū)?yīng)于傳聲器分量的出現(xiàn)，或?qū)?yīng)于地震分量和傳聲器分量?jī)烧叩某霈F(xiàn)。所述檢測(cè)例如如下實(shí)現(xiàn)通過(guò)寬帶放大，然后在預(yù)定義的頻率附近濾波，然后形成方脈沖，然后峰值檢測(cè)，然后積分。當(dāng)處理單元76檢測(cè)到第一活動(dòng)，也就是說(shuō)最近未被其它活動(dòng)搶先的活動(dòng)，處理單元初始化允許相對(duì)于該第一活動(dòng)對(duì)在預(yù)定時(shí)間間隔上后續(xù)檢測(cè)到的所有活動(dòng)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記的計(jì)數(shù)器。脈沖聲源，比如碰撞，一般生成地震波和空中波。例如,對(duì)基板72的碰撞生成地震波以及噪聲，也就是空中波。類(lèi)似地，拍手生成噪聲，也就是傳播直到基板72的空中波井生成在基板72中的地震波。由于地震波傳播得比空中波快得多，所以第一活動(dòng)通常對(duì)應(yīng)于地震波的檢測(cè)。處理單元76被設(shè)計(jì)為區(qū)分與各種交互形式對(duì)應(yīng)的活動(dòng)，交互形式例如是碰撞類(lèi)型，其特征在于脈沖波形起初包括與地震波的到達(dá)相對(duì)應(yīng)的較小幅度的信號(hào)，隨后是與傳聲器波的到達(dá)相對(duì)應(yīng)的較大幅度的信號(hào)。拍手類(lèi)型的交互形式不產(chǎn)生與地震波的到達(dá)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，而只產(chǎn)生傳聲器信號(hào)。在吵雜聲音環(huán)境中，處理電子設(shè)備可被編程以便不對(duì)該類(lèi)交互做出反應(yīng)。處理單元76因此被設(shè)計(jì)為使與地震波對(duì)應(yīng)的活動(dòng)同與空中波對(duì)應(yīng)的活動(dòng)區(qū)分開(kāi),例如通過(guò)它們具有相同的標(biāo)記(signature,簽名)，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤慕换バ问?對(duì)基板的碰撞具有第一交互形式，拍手具有第二交互形式)。
處理單元76被設(shè)計(jì)為基于作了時(shí)間標(biāo)記的檢測(cè)結(jié)果來(lái)定位源。這例如是通過(guò)在公開(kāi)FR 2811107中描述的方式實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)通過(guò)基于地震波的檢測(cè)或基于空中波的檢測(cè)來(lái)計(jì)算差分傳送時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。在使用地震波的檢測(cè)的情況下，可以定位基板72上的源。還可以區(qū)分來(lái)自碰撞的空中源與非碰撞的空中源。在使用空中波的檢測(cè)的情況下，可以定位基板上的源或與基板有距離的源(例如，拍手)。使用空中波的檢測(cè)可以具有某些優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，當(dāng)基板是薄板時(shí)，例如Icm厚的玻璃板,碰撞產(chǎn)生包括例如以每秒5400米傳播的對(duì)稱(chēng)模式和較慢的以每秒3300米傳播的反對(duì)稱(chēng)模式的地震波以及例如以每秒343米傳播的空中波。因此使用空中波允許避免兩個(gè)地震波模式的傳播速度差的問(wèn)題。此外，在使用空中波的情況下，基板作為限定檢測(cè)設(shè)備的工作平面和固定點(diǎn)?；?還作為由碰撞引起的空中波(其應(yīng)當(dāng)從側(cè)面朝傳感器傳播)的壁壘和引導(dǎo)板。此外，使用傳聲器聲波以檢測(cè)碰撞是有益的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)合理地選擇傳感器的地震表面和傳聲器表面的比率，可以確保聲波產(chǎn)生比地震波大得多(通常為10倍)的信號(hào)。此外，在生成的地震波中，反對(duì)稱(chēng)模式比對(duì)稱(chēng)模式強(qiáng)得多，通常是10倍，這在頻率較低或者更準(zhǔn)確地講頻率厚度乘積保持較小，優(yōu)選地小于100kHz. mm的情況下更是如此。因此，通過(guò)為諧振器選擇較低諧振頻率，由碰撞引起的對(duì)稱(chēng)模式的比例相對(duì)于反對(duì)稱(chēng)模式的比例降低，使得對(duì)稱(chēng)模式實(shí)際上可被看作沒(méi)有。在低頻工作的事實(shí)因此允許改進(jìn)選擇性和靈敏度，但是不利于時(shí)間分辨率并因此不利于定位精度，除非利用來(lái)自碰撞的空中波，對(duì)于這些空中波而言，沒(méi)有散射允許以比信號(hào)半周期更好的精度識(shí)別接收波束中的固定點(diǎn)。此外，處理單元76優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為記錄檢測(cè)信號(hào)，優(yōu)選地在滑動(dòng)記錄間隔(例如3至5秒期間)上記錄。優(yōu)選地，當(dāng)檢測(cè)到碰撞吋，也就是說(shuō)，處理單元76定位到地震聲波吋，處理單元76把記錄間隔延長(zhǎng)幾秒，例如3至5秒。處理單元76因此被設(shè)計(jì)為分析(例如通過(guò)傅立葉分析)在這樣延長(zhǎng)的記錄間隔上記錄的檢測(cè)信號(hào)。因此，處理単元76能夠檢測(cè)在碰撞之前和之后的聲音活動(dòng)。這是因?yàn)樵撀曇艋顒?dòng)然后在至少ー個(gè)檢測(cè)信號(hào)中生成傳聲器分量。該分析例如包括確定聲音活動(dòng)的性質(zhì)，例如通過(guò)比較記錄的信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)分析。在監(jiān)視年老或體弱人員的情況下，系統(tǒng)70允許同時(shí)基于地震信息和傳聲器信息(例如可能由人摔倒導(dǎo)致的碰撞然后是叫喊)來(lái)檢測(cè)緊急情況。應(yīng)當(dāng)清楚根據(jù)本發(fā)明的聲波檢測(cè)設(shè)備允許在僅一面可訪(fǎng)問(wèn)并且不必具有傾斜邊緣的基板上檢測(cè)地震聲波和空中聲波。此外，注意到本發(fā)明不限于上面描述的實(shí)施方式。事實(shí)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚基于所公開(kāi)的記載可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種修改。在所附權(quán)利要求中，所用術(shù)語(yǔ)不應(yīng)解釋為把權(quán)利要求限制為上文給出的實(shí)施方式，而應(yīng)解釋為包括權(quán)利要求由于其表達(dá)形式而要涵蓋的并且本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)把公知常識(shí)應(yīng)用到所公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施而能夠預(yù)料到的所有等同物。
權(quán)利要求
1.一種聲波檢測(cè)設(shè)備，包括被設(shè)計(jì)為提供檢測(cè)信號(hào)的壓電換能器(18)，所述聲波檢測(cè)設(shè)備的特征在于還包括聲學(xué)諧振器(12)，該聲學(xué)諧振器(12)具有諧振頻率并包括 一具有自由表面(35)的諧振體(42 ;57)，該自由表面(35)被設(shè)計(jì)為貼靠在基板(44)上，在所述基板(44)中要傳播具有包括所述諧振器的諧振頻率的頻譜的地震聲波，以使得所述地震聲波經(jīng)由該自由表面(35)使所述聲學(xué)諧振器(12)諧振，和 一傳聲器膜(40 ;56)，被設(shè)計(jì)為在具有包括所述諧振器的諧振頻率的頻譜的空中聲波的作用下振動(dòng)，以使得所述空中聲波經(jīng)由所述傳聲器膜(40 ;56)使所述聲學(xué)諧振器(12)諧振， 所述壓電換能器(18)固定到所述聲學(xué)諧振器(12)上以使得所述壓電換能器(18)—方面當(dāng)所述聲學(xué)諧振器(12)在地震聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第一檢測(cè)信號(hào)分量，另一方面當(dāng)所述聲學(xué)諧振器(12)在所述空中聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第二檢測(cè)信號(hào)分量。
2.如權(quán)利要求I所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述聲學(xué)諧振器(12)包括諧振盤(pán)(14；52)，所述諧振盤(pán)(14 ;52)包括: 一恒定厚度的環(huán)形外周部分(34)，所述壓電換能器(18)至少部分地固定到所述環(huán)形外周部分(34)上，和 一包括傳聲器膜(40 ；56)的圓形中央部分(36 ;54)。
3.如權(quán)利要求2所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述壓電換能器(18)包括至少固定到所述諧振盤(pán)(14 ；52)的環(huán)形外周部分(34)上的環(huán)形壓電元件。
4.如權(quán)利要求2或3所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述諧振盤(pán)(14)的圓形中央部分(36)具有從其外周直到其中心遞減的厚度。
5.如權(quán)利要求I一 4中任一項(xiàng)所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，包括布置在所述聲學(xué)諧振器(12)中并部分地由所述傳聲器膜(40 ；56)限定的腔(38 ;55)。
6.如權(quán)利要求2和5所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述諧振盤(pán)(52)的圓形中央部分(54)具有小于所述環(huán)形外周部分(34)的厚度的恒定厚度，以使得所述腔(55)是柱狀。
7.如權(quán)利要求I一 6中任一項(xiàng)所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中， 一所述壓電元件(20)具有相對(duì)于中心軸線(xiàn)(A)的軸向?qū)ΨQ(chēng)以及相對(duì)于中心軸線(xiàn)(A)的徑向模式下的基本諧振頻率，和 一所述聲學(xué)諧振器(12)具有相對(duì)于中心軸線(xiàn)(A)的軸向?qū)ΨQ(chēng)以及小于所述壓電元件(20)的基本諧振頻率的相對(duì)于中心軸線(xiàn)(A)的徑向模式下的基本諧振頻率。
8.如權(quán)利要求7所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述聲學(xué)諧振器(12)的基本諧振頻率介于I千赫茲和10千赫茲之間。
9.如權(quán)利要求I一 8中任一項(xiàng)所述的聲波檢測(cè)設(shè)備，其中，所述聲學(xué)諧振器(12)由單體部件構(gòu)成。
10.一種聲波源定位系統(tǒng),包括 一基板(72)，在基板(72)中要傳播地震聲波， 一至少兩個(gè)根據(jù)權(quán)利要求I 一 9中任一項(xiàng)所述的聲波檢測(cè)設(shè)備(74八，748，74(，740)，所述聲波檢測(cè)設(shè)備的自由表面貼靠在所述基板(72)上，以及 一處理單元(76)，處理由所述聲波檢測(cè)設(shè)備提供的檢測(cè)信號(hào)，所述處理單元被設(shè)計(jì)為通過(guò)基于所提供的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算差分傳送時(shí)間來(lái)定位聲波發(fā)射源(78)。
全文摘要
一種聲波檢測(cè)設(shè)備，包括被設(shè)計(jì)為提供檢測(cè)信號(hào)的壓電換能器(18)。該聲波檢測(cè)設(shè)備還包括聲學(xué)諧振器(12)，該聲學(xué)諧振器(12)具有諧振頻率并包括具有自由表面(35)的諧振體(42)，該自由表面(35)被設(shè)計(jì)為貼靠在基板(44)上，在所述基板(44)中要傳播具有包括諧振器的諧振頻率的頻譜的地震聲波，以使得地震聲波經(jīng)由該自由表面(35)使聲學(xué)諧振器(12)諧振；和傳聲器膜(40)，具有包括諧振器的諧振頻率的頻譜，被設(shè)計(jì)為在空中聲波的作用下振動(dòng)，以使得空中聲波經(jīng)由傳聲器膜(40)使聲學(xué)諧振器(12)諧振。壓電換能器(18)固定到聲學(xué)諧振器(12)上以使得壓電換能器(18)一方面當(dāng)聲學(xué)諧振器(12)在地震聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第一檢測(cè)信號(hào)分量，另一方面當(dāng)聲學(xué)諧振器(12)在空中聲波的作用下諧振時(shí)產(chǎn)生第二檢測(cè)信號(hào)分量。
文檔編號(hào)H04R17/02GK102714771SQ201080060763
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者J-P·尼科羅夫斯基 申請(qǐng)人:原子能及能源替代委員會(huì)