CN100556202C - 用于生物声信号的换能器 - Google Patents

Abstract

在公知的电子听诊器的换能器中，该灵敏元件受到经由皮肤传送的信号的影响，并且该后侧被封闭在壳体中，以防止空气噪声传到该灵敏元件。按照本发明，改善的信噪比是通过使该换能器是与皮肤接触的压电传导弯曲的振动膜获得的，该振动膜的后侧经由声学网络与外界空气互通，因此，接收的空气噪声起阻碍来自皮肤的噪声影响的作用。

Description

用于生物声信号的换能器

本发明涉及一种用于生物声信号(bioacoustic signal)的换能器，该换能器包括具有前侧和后侧的换能器元件，其中该前侧可以与人体部分的表面建立密切的接触，所述表面是指向来自人体内部声音的发射器，所述换能器元件被安装在遭受空气噪声的壳体中，并且具有一个围绕所述换能元件前侧的表面，在使用期间，所述元件和所述围绕的表面与所述人体部分的表面是密切接触的。

用于从人体发出的生物声信号的换能器通常归于施加于该人体的外表面的二种主要类型。一种类型原则上是麦克风，其中皮肤限定面积的振动被作为在围绕皮肤区域的空气中的气压变化来拾取，通常在密闭体积中的该气压变化是由皮肤、麦克风振动膜和壳体限定的。一个封闭的箱体对获得良好的低频响应和预防外来的空气噪声是必不可少的，一种早期的例子是标准的双耳听诊器(binaural stethoscope)，其中罩(bell)限定该体积。第二个类型大体上是加速度表，其中轻的壳体靠在该人体的一部分上，并且在产生与瞬间加速度成正比的信号的过程中惯性质量量提供参考。这种类型本身具有对外部的空中噪音很好的保护措施，但是灵敏度降低，并且在所关心的频率范围的低端电噪声增加很多，除非惯性质量被增加到一个值，其中该值不可避免地影响实际的测量。因此，存在对一种改进的换能器的需要。

已经确定外部的空气噪声通常主要通过二个路径进入该换能器。一个是直接空气传播对该换能单元本身有影响，例如麦克风振动膜。另一个是借助于对来自与该振动膜接触的皮肤的振动膜影响，而该壳体承受空气噪声。进一步的影响可以是空气噪声散发进入围绕该壳体的该人体之内，该壳体环绕与该人体接触的该换能器，所述空气噪声被转换成气压波，气压波被从直接与该振动膜接触的该皮肤的一部分重新散发。这种类通过围绕皮肤区域的噪声注入不能避免，但是对期望信号的相位关系是这样的，该影响通常将是不很重要。因此，进一步存在找到一种改进结构的用于生物声信号的换能器的需要。

在US专利5,610,987中给出了一种解决方案，其在围绕壳体内的区域中在直接与皮肤的接触过程中利用压电传导弯曲的振动膜。在这种情况下，被耦合给该振动膜的噪声信号没有再辐射，并且该振动膜的后部被通过该壳体屏蔽，以防外部的噪音。为了获得噪声消除，这个专利也描述了该壳体包含一个同样的、但是面向外部的压电传导弯曲的振动膜，该膜仅仅经受空气噪声，而且另一个同样的换能器被放置在离第一个换能器某个距离上与该人体接触。宽广的数字信号处理能够高度地消除不希望有的噪音。这使得该装备是昂贵的，并且如果该传感器部分被交换，导致需要对重新编程。

US 6,028,942涉及声波的未放大的胸部听诊器，其具有噪声平衡装置，其中谐振器被耦合到该振动膜的背面。也示出了一个使用放大的实施例。该目的是当噪音施加于皮肤的时候补偿散发进围绕前端组织内的并且其被增加给期望的信号的噪声。在该组织和该振动膜之间存在一个空气间隔，其提供输出信号，但是在实践中这显著地降低了该设备的有效性。也许是在US 6,028,942中使用的精心制成的等效电路被误导，因为它们没有考虑经由该换能器壳体质量本身该拾音器的空气噪声。

本发明是基于这样的认识，即，通过换能器的壳体的确能够大量拾取空气噪声，而且通过按压在该主体的外表面，该壳体跟着发生的振动作用在该振动膜上。如果该振动膜的背面以适宜的相位关系拾取外部的空气噪声，该空气噪声的影响将被以所关心的频率间隔有效地消除。仅仅通过提供用于空气噪声到该振动膜的后侧的入口，该适宜的相位关系可以在非常窄的频带范围中是有效的，但是通过对振动膜的后侧加载适宜的声音，可以在所关心的频率间隔中获得更进一步的改善。尤其是，已经证明，通过降低呈现给该主体的外部表面的换能器表面的比例获得一个显要的改善，该主体的外部表面是由该振动膜构成的。因此，本发明特别在于，该换能单元的有效面积小于围绕该壳体的表面面积的50％，并且其中该换能单元的后侧被加载一个声学网络，声学网络与外界空气保持联系，所述加载在分别影响该换能单元的前和后侧的空气噪声信号之间生成消亡关系。本发明考虑到以下的事实，希望的生理学信号和冒犯的空中噪音两者存在若干路径，而且影响该壳体也导致对该换能单元有影响。

本发明的一个有益的实施例特别是在，其中该换能单元的有效面积在围绕该壳体的表面面积的1/2和1/1000之间。已经确定当相应的面积被保持在这些比例内的时候在性能方面存在改善。该效果可能与皮肤的接触面积和在组织下面的密度有关系。由于有效面积指的是该振动膜的面积，其实际上是弯曲的和有助于输出，即，其通常小于在围绕的表面中的开口。

在另一个有益的修改中，这个比例在间距0.2＞ad/ah＞0.05的范围之内。

一个有益的实施例特别的是，其中该换能单元是复合的振动膜，当其处于弯曲的条件下的时候给出电气输出。这可以以实质已经称为压电传导弯曲(piezoelectric transflexural)的振动膜的形式获得，其实际上是非常薄的压电层，其中一侧通常被粘结到金属振动膜，并且其在另一侧上具有沉积的金属层。当该振动膜被通过在金属振动膜和金属沉积物之间产生电压差向内地和向外地弯曲的时候，这个薄片对在该压电层中出现的剪切压力作出反应。

进一步有益的实施例尤其是，其中该换能单元是复合振动膜，当该振动膜的前侧相对于后侧处于不同程度的拉伸条件下的时候该复合振动膜给出电气输出。这是稍微不同的结构，其可以对于特定的ad/ah比例给出优点。

进一步有益的实施例是尤其是，其中由一个在该壳体中的空腔组成的该声学网络间接地受到空气噪声的影响。

另一个有益的实施例尤其是，其中该声学网络由在该壳体中的一个空腔和至少一个端口组成。这实际上是一个用于带有漏洞的该振动膜的外壳，并且通过适宜地放置这个空腔体积和端口组合的谐振频率，可以获得该频率响应的扩展，和尤其可获得噪声抑制的范围。

进一步有益的实施例尤其是，其中该声学网络由基本上具有与该振动膜相同直径的圆柱形的导管组成。这对应于让该振动膜坐在井的底部，其对该振动膜提供很好的屏蔽和机械保护以及连接，并且降低端口的封闭将改变该换能器的频率响应的风险率。

进一步有益的实施例尤其是，其中该端口是由一个窄缝构成的。这具有特别的优点，其难以偶然地覆盖该缝隙的整个长度，这降低了该端口将在实际使用期间显著地改变其性能的风险率。进一步实施例对该缝隙外界提供不可湿润的材料。

本发明一个有益的实施例尤其是，其中在皮肤和振动膜之间的密封关系中提供了能够传送机械振动的弹性材料。虽然该振动膜可以由不锈钢制成，其通常被认为相对于皮肤是惰性的，但是可能存在人体对镍的敏感的情况，并且由于这个缘故，对于该振动膜的普通表面保护，可以希望给该换能器提供以一个弹性体层。技术熟练的人员将能够选择具有适宜的传输性能的材料用于这个应用。

进一步有益的实施例尤其是，其中该声学网络装置包括阻尼材料。

进一步有益的实施例尤其是，其中该圆柱形的导管被提供有阻尼材料。

进一步有益的实施例尤其是，其中阻尼材料被在端口中用作电阻性的元件。

进一步有益的实施例尤其是，其中该阻尼材料具有防水的特质。

本发明将参考附图进一步描述，其中描述了三个换能器，第一个(类型I)具有一个与振动膜的后部接触的密闭舱室，并且仅仅与外界空气间接接触；第二个(类型II)具有一个通向振动膜的后部的开口，作为直接连接到外界空气的声学网络最原始的情况，其将按照本发明起作用；和第三个(类型III)具有一个带有端口的闭合体积，作为声学网络更进一步的但是更多改进的情况，其将按照本发明起作用。基于有用的换能器的尺寸和在其实际的使用期间生成的压力，每个换能器是由示出其等效示意图的附图和示出通过模拟获得的产生的附图引证的。注意到，以dB表示的曲线的绝对电平没有实际意义，因而，作为在不同的情形中的声源已经被标准化为一。附图的内容如下：

图1示出一个按照现有技术放置在人的皮肤上的换能器；

图1a示出现有技术的换能器的结构；

图2标识按照本发明第一个实施例(类型I)的换能器的组件；

图3示出呈现图2i的换能器的等效电路；

图4示出在图2中示出的换能器的S/N性能；

图5标识按照本发明第二个实施例(类型II)的换能器的组件；

图6示出在图7中示出的换能器的S/N性能；

图7示出按照本发明第三个实施例(类型III)的换能器的结构；

图8示出呈现图7i的换能器的等效电路；

图9标识在图7中示出的换能器的组件；

图10示出类型III换能器的S/N比率性能；

图11示出按照本发明一个方面的面积比变化的结果，改变壳体的面积；

图12示出按照本发明一个方面的面积比变化的结果，改变振动膜的面积；和

图13示出一个用于确定期望的生理学信号灵敏度的等效电路。

在等效电路和其性能的表示中，遵循以下的术语：

Sh对于无效的换能器壳体组织有效应用范围(例如，从壳体半径ah和传感器振动膜半径ad对于同心分布的面积单元计算)；

Zhr从换能器壳体进入由Sh计算的周围环境之内的机械域辐射阻抗；

Zhm换能器壳体质量(Mh)的机械域阻抗；

Zht作用在换能器壳体(由Sh计算的)上的机械域组织阻抗。由离散的单元Rht、Mht和Cht组成；

Zha手/臂保持的换能器壳体的机械阻抗(近似40Ns/m)；

Sd对于有源传感器振动膜的组织的有效应用范围(由传感器振动膜半径ad对于同心地分布的面积单元计算的)；

Zhr从传感器振动膜(单纯与振动膜相同面积的后侧换能器开口)进入由Sd计算的周围环境之内的机械域辐射阻抗；

Zdc传感器振动膜遵从(sensor diaphragm compliance)(Cd)的机械域阻抗；

Zdt作用在传感器振动膜上的机械域组织阻抗(由Sd计算的)。由离散的单元Rdt、Mdt和Cdt组成；

Zpv空气腔容积(Vp)遵从的(后面的传感器振动膜，不包括端口)声学域阻抗；

Zpp由离散单元Rp和Mp组成的端口的声学域阻抗；

Zpr从端口开口到周围环境内的机械域辐射阻抗；

计算是以以下带有按照本发明一个实施例的换能器的壳体的性能的设计数值为基础的：

ad＝20mm

ad＝6mm

mh＝50g

cd＝8m/N

Vp＝0.4ml

a＝0.5mm

b＝4mm

l＝15mm

F＝4N(换能器施加在胸部的压力)

在图1中，看到人体的一部分，其背部相对于皮肤放置以换能器T。在图1a中示出的换能器由一个包括内部壳体3的外壳4组成，内部壳体3通过其边缘支撑振动膜1并且生成环绕(surround)5。此外，存在一个用于信号引线和信号引线静电屏蔽的夹紧装置6。壳体也可以持有一个前置放大器和阻抗变换器2，例如使用幻像供电。振动膜1本质可以是巳知的当被弯曲的时候其释放电压的传导弯曲的压电迭片或者压电元件P。一个电极由实际的金属振动膜组成，并且另一个电极被沉积到压电材料薄板的另一侧上。安装振动膜与壳体的环绕部分齐平或者与壳体的环绕部分至少在相同的平面中，并且环绕5具有一个使得确保与皮肤严密接触的直径或者宽度。壳体是密闭的，从而屏蔽振动膜的后侧避免空气传播的声音，并且生成一个空腔C，其是现有技术常规的表示。

在图2中，看到一个在按照本发明的换能器中组件的简化的轮廊；和在图3中示出从外界噪声经由换能器壳体到传感器振动膜的前侧(与人体接触的侧面)的传输路径的等效电路。当外界噪声压力信号按压在换能器壳体上时，外界噪声被引入传感器振动膜的前侧(面向组织)，从而引起下面组织压紧(压力)，压力作用在传感器振动膜上。由附着在换能器壳体上的弹簧(Zd)支持的质量较小的刚体活塞(表面面积Sd的)是用于固定灵活的传感器振动膜到换能器壳体上允许的近似值。

出于对便利的考虑，被拾取的外界噪声可以被分裂成二个“级”，首先，外界噪声压力信号耦合给换能器壳体(经由作为产生器输出阻抗的壳体辐射阻抗)，这里其可以被转换为机械压力信号，并且可以从壳体质量和附着的组织阻抗(例如，胸部阻抗)引进负载。然后，这个产生的输入压力信号从无效的壳体应用范围Sh经有源传感器面积Sd经历面积转换，这里可以运用从传感器振动膜(起初机械顺从性)加载影响和其下面的组织。在图3中示出从外界噪声经由换能器壳体并到传感器振动膜的前侧的传输路径的等效电路。假定传感器输出与施加在传感器振动膜遵从的元件上的压力成正比。作用在传感器振动膜上产生的压力可以使用(1)来计算。由于来自组织在壳体之上引起的向下的力到作用在传感器振动膜上向上的力的反作用，注意在最后的冲击上的符号翻转。

$F_{\mathrm{amb},\mathrm{closed}}=-P_a\mathrm{Sd}\frac{{\left(\frac{\mathrm{Sh}}{\mathrm{Sd}}\right)}^2\left(\mathrm{Zd}\right|\left|\mathrm{Zdt}\right)}{{\left(\frac{\mathrm{Sh}}{\mathrm{Sd}}\right)}^2\left(\mathrm{Zd}\right|\left|\mathrm{Zdt}\right)+\mathrm{Zhr}+\mathrm{Zht}+\mathrm{Zhm}}---\left(1\right)$

在表示式中，P_a表示输入环境压力噪声信号，并且F_amb，closed表示在传感器振动膜的前侧上产生的冲击。此外，Zd是由(2)计算的传感器振动膜机械阻抗，这里Cd是振动膜机械顺从性：

$\mathrm{Zd}=\frac{1}{\mathrm{j\ωCd}}---\left(2\right)$

此外，Zdt表示来自作用在传感器振动膜上的组织阻抗的影响，单自由度系统(SDOF质量，遵从和阻尼系列)与应用压力和施加表面面积相关，例如，作为从Vermarien H.和van Vollenhoven E.适应的：“Therecording of heart vibrations：a problem of vibration measurement on softtissue”，医学和生物工程和计算，1984，22，pp 168-178。按照这个原因，与针对组织施加在0.6N的压力之下的直径30mm的圆形应用表面有关的平均的人类胸部组织阻抗将导致近似设置SDOF的元件质量Mt＝5.4gr.，遵从Ct＝0.62mm/N和阻尼Rt＝4.8Ns/m。总的组织阻抗将合计达：

$\mathrm{Zt}=\mathrm{Rt}+\mathrm{j\ωMt}+\frac{1}{\mathrm{j\ωCt}}[\mathrm{Ns}/m]---\left(3\right)$

壳体质量机械负载阻抗Zhm可以使用(4)来计算，这里Mh是壳体质量。

Zhm＝jωMh

                          (4)

辐射阻抗Zhr可以从(5)估算，其着手2π空间计算阻抗，在这个等式中，α_h是与壳体辐射面积(例如，Sh)相同面积的圆形刚性活塞的等效半径，并且k是波型数(k＝w/c)。

$\mathrm{Zhr}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\ρc}{k}^2{{\mathrm{\α}}_h}^4+\mathrm{j\ω}\frac{8}{3}\mathrm{\ρ}{{\mathrm{\α}}_h}^3---\left(5\right)$

在用户通过手持有换能器的情况下，手/臂阻抗负载可以被包括与工作在Sh面积域内的Zhr、Zht和Zhm串联连接。对(1)的影响是在分母中添加Zha阻抗成分，这里

Zha＝40[Ns/m]             (6)

在大多数的实际情况下，传感器振动膜的后侧面向封闭容积(允许振动膜偏转的空间)，并且这个元件固有负载原则上将也影响传感器振动膜偏转。但是，典型地，与传感器振动膜相比这个封闭的空间将起软弹簧的作用，并且因此没有实际的价值，因此以上所述的等效电路不包含这个元件。换句话说如果需要，典型的空气腔容积遵从阻抗元件应被插入在与Zdt串联的模块中。

用于生理学信号的换能器的有效性很大程度上不仅取决于其抑制噪声影响的能力，但是同样地取决于其接收相关的生理学信号的能力。给换能器的输入经由二个路径发生，一个是跨越胸部阻抗，另一个是经由壳体。声源本身被认为是高阻抗快速(high-impedance velocity)声源，因此，可以使用在上面定义的术语，按照在图13中示出的结构确定用于生理学信号的声传输的电等效。在某个情形下，来自手/臂保持换能器壳体的影响可能是相关的，并且那么来自Zha的负载影响可以通过实施与Mht和Mh串联其来实现，如同由在附图上的x所示。此外，一个封闭的空气空腔容积的内含物是通过与Cd串联添加这个负载影响来实现的。

作用于传感器振动膜上的压力可以由模型按照(7)计算：

$F_{\mathrm{phys}}=V_t\frac{\mathrm{Zd}}{\mathrm{Zd}+\mathrm{Zmdt}}\frac{(\mathrm{Zmht}+\mathrm{Zmh})\left[(\mathrm{Zcdt}+\mathrm{Zrdt})\right|\left|(\mathrm{Zmdt}+\mathrm{Zd})\right]}{\mathrm{Zmht}+\mathrm{Zmh}+\mathrm{Zcht}+\mathrm{Zrht}+(\mathrm{Zcdt}+\mathrm{Zrdt})\left|\right|(\mathrm{Zmdt}+\mathrm{Zd})}---\left(7\right)$

通过对于期望的和不希望的信号可得到的换能器的灵敏度的表示式，换能器的性能可以被有效地表示为信噪比(S/N)比，并且其是频率相关的。为了比较技术解决方案的例子或者实施例，对于某些典型的结构S/N比将作为频率的函数给出。如上所述，以dB的值仅仅是相比较而言的。

类型I和带有在上面给出的尺寸和重量的换能器将如图4所示实施。在这里，已经在参数ah(上面的)和ad(下面的)方面给出变化。实线表示额定值，短划线表示相应的两倍的额定值，和点线表示相应的一半的额定值。从观察来自参数变化的结果中，很清楚看到，在无效和有效换能器应用面积之间提高比率将改善外界噪声的整体抑制。来自降低有效面积而保持无效面积固定(ad变化)结果最清楚地证明该效果。但是，也对于ah变化，提高无效的面积(以固定的有效传感器面积)有助于在频率方面向上移动谐振陷波(resonant notch)，从而实际上扩展了换能器系统的工作频率范围。典型的听诊声音信息位于1000Hz限度以下，并且通过在该点之上推进该谐振陷波，同时正好在其下保持高等级的抑制，与调低谐振点和设法在谐振点之上借助于进一步以更好的外界噪声抑制来补偿相比，更加有效地改善实际的信噪比。

由于在有效和无效的换能器应用面积(18)之间的比值较这些表面本身的物理半径的绝对值重要的控制观念，对于半径的有效的变化被定义为那些由其额定值引起面积比Sd/Sh的一半、一或者两倍。对于圆形的和同心地分布的面积单元，面积比可以被表示为：

$\frac{\mathrm{Sd}}{\mathrm{Sh}}=\frac{{a_d}^2}{{a_h}^2-{a_d}^2}---\left(8\right)$

从观察到的有关密闭的换能器系统(图4)的参数分析结果中，可以清楚的看到，提高在无效的和有效的换能器应用面积之间的比值将改善外界噪声的整体抑制。通过降低有效面积而保持无效面积不变(ad变化)的结果最清楚地证明该效果。但是，也对于ah变化，提高无效的面积(通过固定的有效传感器面积)往往很少发生向上移动谐振陷波，从而有效地扩展了换能器系统的工作频率范围。典型的听诊声音信息位于1000Hz限度以下，并且在这点之上通过推进谐振陷波，同时正好在其下方保持高等级的抑制，与调低谐振点和设法进一步在谐振点之上以更好的外界噪声抑制补偿相比，会更加有效地改善实际的信噪比。

为了降低换能器对于空气传播的外界噪声的敏感度，但不显著地降低其对于生理振动信号的灵敏度，已经试验了在传感器元件的后面开口换能器壳体的概念(类型II)，从而允许阻碍外界噪声进入系统。最简单的类型的后侧声音通道是一个宽的开口，导致在振动膜后侧上产生的有效压力等于作用在换能器壳体上的压力。图5示出带有简单开口的简单开口的换能器系统的物理布局，简单开口由基本上具有与传感器振动膜相同直径的圆柱形的导管组成。因此，外界噪声无需任何滤除动作被允许达到振动膜的后侧。

在整个系统外界噪声响应上简单开口的效果可以通过按照(9)和(10)来计算，其简单地从如上述提供的互补的前侧压力分量中减去产生的后侧压力分量。

                         (9)

F_{d，rear，simple}＝P_aSd

$F_{\mathrm{umb},\mathrm{simple}}=F_{d,\mathrm{closed}}+F_{d,\mathrm{rear},\mathrm{simple}}=P_a\mathrm{Sd}\frac{\mathrm{Zhr}+\mathrm{Zht}+\mathrm{Zhm}}{{\left(\frac{\mathrm{Sh}}{\mathrm{Sd}}\right)}^2\left(\mathrm{Zd}\right|\left|\mathrm{Zdt}\right)+\mathrm{Zhr}+\mathrm{Zht}+\mathrm{Zhm}}---\left(10\right)$

可以从(10)中得出结论的感兴趣的细节是，提高无效换能器壳体应用面积Sh和降低换能器壳体质量似乎能有效地降低换能器对于外界噪声的敏感度。

类型II和带有在上面给出的尺寸和重量的换能器将如图6所示实施。在这里，已经在参数ah(上面的)和ad(下面的)方面给出变化。实线表示额定值，短划线表示相应的两倍的额定值，和点线表示相应的一半的额定值。

对来自简单开口的换能器系统性能(图6)模拟的结果的检查留下印象，即，在这样的情形下，与对于类型I陈述的许多特点相同的特点同样是有效的。但是，总是变得劣于闭路系统的高频响应(在某些点上)的固有差别对于每个情形是显然的。处理这个消极效果的唯一方式是尽可能在频率范围中向上推动高频谐振陷波，并且通过降低Sd/Sh面积比非常有说服力地处理这个特点。再次，ad的降低被确定为对换能器性能具有最强大的冲力。

这种类型的换能器可以被有利地在大开口中提供有声阻抗装置，大开口连接振动膜的后侧到外界空气，并且最好是与壳体的外表面齐平。这个声阻抗装置将有助于在换能器的相对高的频率范围中改善S/N比值。装置有利地从包括触摸和不织布(felt and non-woven)的纤维状材料的组中选择，并且最好是提供有防水的外表面。这具有双重的作用，不仅在高频率范围中显著有效地提供阻抗定义明确的电阻性的部分，而且其对于敏感的振动膜也提供避免灰尘和湿气的外界影响防护。此外，这种类型的保护不会改变声音性能，甚至当经受有限数量的灰尘或者喷水时。

对于类型I和II两者，其已经证明在换能器系统的最优化中，在有效和无效的应用表面面积Sd/Sh(大于隔离的看到的这些面积的特殊的尺寸)的之间的比值对于最大减少外界噪声是如此重要的因素。在额定参数值中，面积比约具有1/10的值，并且在半径的变化期间，已测试约为1/20的值，并且被证明是优于额定值。

附图11和12示出或者经由ah变化(图11)或者ad变化(图12)实现的对于面积比值1/20、1/10和1/2的模拟。每个图形示出对于闭路系统的噪声特性，和在闭路系统之上另外改进的简单的开路系统。下面的曲线组表示闭路的换能器系统(类型I)响应，并且上面的曲线组示出在闭路系统上的简单开路系统(类型II)的改进。已经示出1/20(破折号)、1/10(实心的)和1/2(虚线的)的面积比Sd/Sh值。

闭路系统响应在面积比改变的影响下显著地改变，两者在总电平上，和其谐振的位置从约1200Hz(带有Sd/Sh＝1/20)向下改变到约200Hz(带有Sd/Sh＝1/2)。考虑到简单开路系统的相对性能，可以看到在闭路系统响应谐振之上，简单开路系统次于闭路系统。对于简单开路系统，面积比Sd/Sh＝1/2定义耦合到位于近似200Hz(对于这些定义的物理条件)的后侧有益值的下限。

考虑到隔离中达到上述200Hz的频率范围，在在特定的频率范围中这当然是有效的改进，并且如果兴趣仅仅覆盖例如原始的心脏声音和低频的杂音，其将可能是令人满意的。对于在更加常规的听诊系统(听诊器等等)中使用，200Hz的限度完全不是令人满意的，因为大多数的难听到心脏杂音(和精密的肺声音)都存在于200Hz以上的频率范围。在数值的另一个端上，Sd/Sh＝1/20表现的确非常好，因为其有效地将闭路系统谐振移动在1000Hz之上，因此在非常宽的工作频率范围中允许很好的衰减。

图9示出具有组合的端口(一个具有阻抗和集中元件(mass element)的声音出口)和空气谐振腔容积的换能器系统(类型III)的物理布局，空气谐振腔容积在其遇到传感器振动膜后侧之前对外界噪声执行二阶低通滤波。图7示出更详细地安装在一个壳体中的类型III换能器。谐振腔7借助于一个具有定义明确的性能的端口8和外界空气保持联系。接触皮肤的振动膜的表面可以通过涂层或者材料9的层被保护，其不会通过振动膜影响拾音，即，其应该拥有类似于振动膜接触的组织的性能。这是通过在环绕5中形成的浅坑的影线表示的，其中振动膜被放置在环绕5中。将在附图中看到，对应于大约25％的面积比例，振动膜的半径ad大约是壳体的半径ah的50％。

端口/体积系统其特征在于其谐振频率和在谐振上其溢出，在谐振下面，系统被认为是近似为简单开放型的，而响应在谐振之上是二阶低通衰减。为了精确地估算响应，来自传感器振动膜遵从的影响可能需要被包括在模型中。振动膜遵从将与空气谐振腔体积遵从同时作用，并且如果体积遵从不是明显地大，振动膜遵从将引起对于完全系统降低谐振频率。等效电路被在图8示出，其实质上示出了从外界噪声底部到传感器振动膜的后侧的传输路径。

从模型中，来自后侧外界噪声压力信号输入的影响可以使用(11)计算：

$F_{d,\mathrm{rear},\mathrm{port}}=P_a\mathrm{Sd}\frac{\left(\frac{\mathrm{Zd}}{{\mathrm{Sd}}^2}\right)\left|\right|\mathrm{Zpv}}{\left(\frac{\mathrm{Zd}}{{\mathrm{Sd}}^2}\right)\left|\right|\mathrm{Zpv}+\mathrm{Zpp}+\mathrm{Zpr}}---\left(11\right)$

阻抗成分Zpv是由(13)计算的空气体积声波遵从，并且V表示谐振腔体积：

$\mathrm{Zpv}=\frac{{\mathrm{\ρc}}^2}{\mathrm{j\ωV}}---\left(12\right)$

此外，Zpp是端口声阻抗，由阻尼元件和集中元件串联连接组成，例如适合于窄缝，其典型地为了提高衰减率(14)的目的引进。窄缝阻抗可以从其长度1(平行于声波传播方向)、其宽度(垂直于声波传播并且在缝隙中在二个相对平面之间的最小距离)和狭缝高度b中估算，恒量η表示空气粘度(近似18.3 10 6Ns/m)。

$\mathrm{Zpp}=\frac{12\mathrm{\ηl}}{a^{3}b}+\mathrm{j\ω}\frac{6}{5}\frac{\mathrm{\ρl}}{\mathrm{ab}}---\left(13\right)$

在系统中产生的压力作用在传感器振动膜，其中后侧振动膜压力信号已经通过端口体积声滤波器系统，然后变为来自每个侧面影响的总和。

F_amb，port＝F_d，closed+F_{d，rear，port}          (14)

类型III和带有在上面给出的尺寸和重量的换能器将如图10所示实施。在这里，已经给出在ah、ad mh和cd方面的变化(上到下)，后者是振动膜遵从的。实线表示额定值，短划线表示相应的两倍的额定值，和点线表示相应的一半的额定值。

除了上面描述的简单后侧开口和端口体积滤波器开口之外，存在用于在其冲击振动膜后侧上的过程中引导/滤除外界噪声信号的各式各样的有意义的原理。例子可以包括喇叭筒，例如相对于环绕具有大面积端，和连接到传感器振动膜的窄面积端。此外，由多个耦合的端口和谐振腔，或者做为选择无源的振动膜(作为区别于从属的低音扬声器系统)组成的声波导可以证明在换能器对于外界噪声抗扰性的优化方面是有意义的。

如上所述，对于类型II，声阻抗装置可以有效地在包括触摸和不织布纤维状材料的组中发现，但是，它们可能是非常坚实的。做为选择，在类型III的情况下，当在壳体中形成为缝隙的时候，端口可以具有一个可测量的长度和相应窄的宽度。这具有特殊的优点，偶然的局部关闭不会扰乱功能到可感知的程度。在缝隙中提供不可湿润的表面预先排除任何的水收集。在实践中，这可以通过借助于激光切割缝隙插入PTFE来获得。

类似于那些如上所述的涉及类型I和类型II的考虑也将用于类型III，通过保持Sd/Sh范围在按照本发明的限制内，有可能获得不同的优点，并且事实是，用于在类型III中的变化更多的参数是有效的，允许Sd/Sh的影响适合于特定期望的频率响应，表示为S/N比值。在这个环境中，值1/20作用较好。

上文描述的特定的实施例将因此充分地揭示本发明常规的特性，通过施加当前的知识，本领域技术人员无需过分的实验和无需背离一般的概念，不难修改或者改编上述的特定实施例不同的应用，因此，上述的改编和修改应该和意欲被包含在公开的实施例的等效的意义和范围之内。应该理解，在此处采用的措辞或者术语是为了说明而不是限制的目的。用于执行不同的功能的装置、材料和步骤可以采用不脱离本发明的各种各样的形式。

因此，如可以在以上的说明书中和/或在以下的权利要求中找到的遵循功能陈述的表达方式“装置，用于......”和“用于...的装置”，或者任何的方法步骤语言，其意欲定义和覆盖任何的结构、物理、化学或者电气单元或者结构，或诸如此类的方法步骤，其可以是现在或者将来存在的执行列举的功能的那些，是否精确地等效于在以上的说明书中公开的实施例，即，可以使用用于执行相同的功能的其他的装置或者步骤，并且意欲上述的表达方式给出其最宽的解释。

Claims (18)

1.一种用于生物声信号的换能器(T)，其包括：具有前侧和后侧的换能器单元(1)，其中该前侧可以与人体部分的表面建立密切接触，所述表面是来自人体直接内部声音的发射机，所述换能器单元(1)被安装在遭受空气噪声的壳体(3)中并且具有围绕所述换能器单元的所述前侧的围绕表面(5)，在使用期间，所述换能器单元和所述围绕表面与所述人体部分的表面是密切接触的，其特征在于：所述换能器单元(1)的有效面积小于所述围绕表面(5)的面积的50％，并且其中所述换能器单元的后侧被加载声学网络装置(7，8)，该声学网络装置与外界空气保持联系，所述加载将分别影响所述换能器单元的前和后侧的空气噪声信号进行抵消。

2.根据权利要求1的换能器，其特征在于：所述换能器单元(1)的有效面积满足条件：所述换能器单元(1)的有效面积与所述围绕表面(5)的面积比在0.50至0.001之间。

3.根据权利要求1的换能器，其特征在于：所述换能器单元(1)的有效面积满足条件：所述换能器单元(1)的有效面积与所述围绕表面(5)的面积比在0.20至0.05之间。

4.根据权利要求1或者2的换能器，其特征在于：所述换能器单元(1)是当处于弯曲的条件下的时候给出电气输出的复合振动膜。

5.根据权利要求1或者2的换能器，其特征在于：所述换能器单元(1)是复合振动膜，当该复合振动膜的前侧相对于后侧处于不同程度的拉伸条件下的时候该复合振动膜给出电气输出。

6.根据权利要求1或者2的换能器，其特征在于：所述声学网络装置由在所述壳体中的腔构成，所述腔受空气噪声的间接影响。

7.根据权利要求1的换能器，其特征在于：该声学网络装置由谐振腔(7)和在该壳体中的至少一个端口(8)组成。

8.根据权利要求4的换能器，其特征在于：该声学网络装置由基本上具有与该复合振动膜相同直径的圆柱形的导管组成。

9.根据权利要求5的换能器，其特征在于：该声学网络装置由基本上具有与该复合振动膜相同直径的圆柱形的导管组成。

10.根据权利要求7的换能器，其特征在于：该端口是由窄的缝隙构成。

11.根据权利要求10的换能器，其特征在于：该缝隙是由不被水润湿的材料制成的。

12.根据权利要求4的换能器，其特征在于：在该人体部分的表面和该复合振动膜之间使用能够传送机械振动的弹性材料(9)以建立密封。

13.根据权利要求5的换能器，其特征在于：在该人体部分的表面和该复合振动膜之间使用能够传送机械振动的弹性材料(9)以建立密封。

14.根据权利要求8或9的换能器，其特征在于：在该人体部分的表面和该复合振动膜之间使用能够传送机械振动的弹性材料(9)以建立密封。

15.根据权利要求1的换能器，其特征在于：该声学网络装置包括阻尼材料。

16.根据权利要求8或9的换能器，其特征在于：该声学网络装置包括阻尼材料，并且该圆柱形的导管为阻尼材料。

17.根据权利要求15的换能器，其特征在于：该声学网络装置由谐振腔(7)和在该壳体中的至少一个端口(8)组成，并且阻尼材料在所述至少一个端口(8)中被用作电阻性元件。

18.根据权利要求15的换能器，其特征在于：该阻尼材料具有防水的特性。

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