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一种深亚波长尺寸声源定向传感器件制造技术

技术编号:12516217 阅读:84 留言:0更新日期:2015-12-16 14:21
本发明专利技术公开了一种深亚波长尺寸声源定向传感器件,所述传感器件为核壳结构,核为刚性核,壳为声学超表面,在核壳界面处安装有微型麦克风,所述声学超表面包含若干个圆周均布的折叠槽,折叠槽远离核的一端开口,靠近核的一端封闭,以核的中心为起点,核的中心与微型麦克风的中心所确定的射线穿过其中一个开口。本发明专利技术的深亚波长尺寸声源定向传感器件,巧妙地利用了封闭声学超表面与入射平面波强相互作用下形成双极子形貌回音壁共振模式,不仅实现对远场声源精确灵敏定向,而且对测量声场不产生明显干扰,形成有效隐身保护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种声学传感器,具体涉及一种深亚波长尺寸声源定向传感器件
技术介绍
传统的声源定向设备,如矢量传感器件和阵列传感器件,分别利用媒质中质点振 动速度测量和多点测量,实现远场声源定向。这些设备在声纳领域有重要应用。比如探测 空中发声飞行器或者水中发声航行器的方向。例如矢量传声器原理较为复杂,不仅需测量 声压大小,还需进一步测量媒质中质点振动速度,因而价格昂贵;阵列传感器件体型庞大, 需要校准,传感设备容易被对方声纳发现。
技术实现思路
专利技术目的:为了克服现有技术中存在的不足,本专利技术提供一种深亚波长尺寸声源 定向传感器件,利用封闭声学超表面与入射平面波强相互作用下形成双极子形貌回音壁共 振模式,不仅实现对远场声源精确灵敏定向,而且对测量声场不产生明显干扰,形成有效隐 身保护。 技术方案:为解决上述技术问题,本专利技术的一种深亚波长尺寸声源定向传感器件, 所述传感器件为核壳结构,核为刚性核,壳为声学超表面,在核壳界面处安装有微型麦克 风,所述声学超表面包含若干个圆周均布的折叠槽,折叠槽远离核的一端开口,靠近核的一 端封闭,以核的中心为起点,核的中心与微型麦克风的中心所确定的射线穿过其中一个开 □ 〇 作为优选,所述声学超表面和刚性核的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍, 刚性核和壳均为金属或有机塑料。 作为优选,所述折叠槽为偶数个,折叠槽至少为四个。 作为优选,为了减小粘滞损耗对器件性能的不利影响,所述折叠槽的宽度至少为 1_,但宽度小于传感器件工作频率对应声波波长的1/5,保证声波在矩形槽中高阶模式分 量处于深度截止状态,传感器件的工作频率ω。与折叠槽L总长度的数学关系为:ω。= cQ π A2L),c。为背景媒质中声速。 作为优选,所述开口张角宽度小于传感器件工作频率对应声波波长的1/5,保证声 波在矩形槽中高阶模式分量处于深度截止状态。 作为优选,所述壳为圆环状,壳的内半径为1cm,壳的外半径为3cm,壳的高度小于 传感器件工作频率对应声波波长的1/5,保证声波在矩形槽中高阶模式分量处于深度截止 状态。 有益效果:本专利技术的深亚波长尺寸声源定向传感器件,巧妙地利用了封闭声学超 表面与入射平面波强相互作用下形成双极子形貌回音壁共振模式,不仅实现对远场声源精 确灵敏定向,而且对测量声场不产生明显干扰,形成有效隐身保护。【附图说明】 图1为本专利技术一种实施例的结构示意图; 图2为本专利技术一种实施例的尺寸标示图; 图3为图1中实施例的声散射强度谱图; 图4为图1中实施例的麦克风处声学增益谱图; 图5为图1中实施例在非倾斜情况下,上表面所在平面内的方向响应图; 图6为图1中实施例在不同倾斜角度下响应图。【具体实施方式】 如图1所示,本专利技术的深亚波长尺寸声源定向传感器件,为深亚波长尺寸核壳结 构,核为刚性核3,壳为声学超表面2。核内集成有一个微型麦克风1,其声信号接收面紧贴 于声学超表面2和刚性核3界面处。声学超表面壳层2,包含四个等距离排列的折叠槽4, 折叠槽4远离核3的一端开口,靠近核3的一端封闭,微型麦克风1的中心与核3的中心所 确定的直线在其中一个开口内。如图2所示,所述声学超表面壳层内半径R 1= 1厘米,外 半径R2=3厘米,每个槽的宽度为1.5毫米,开口处张角Θ =6°,总长度为约为L= 12 厘米。槽的折叠方式可以多样化,图2为其中一种。根据模式匹配法,我们可以得到工作频 率和单个折叠槽总长度的关系为:ω。= c。π A2L),其中,c。为背景媒质中声速。根据关系 式,我们得到该具体实施例在空气中的工作频率应为700Hz附近,波长约为0. 49m。上述刚 性核3和声学超表面2的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍,为金属或有机塑料。如 图2所示,声波波长约为器件尺寸D = 2R2的八倍,可以根据实际做相应调整。 如图3所示,散射强度谱图显示了该实施例在工作频率700Hz附近(实线标示频 率位置)产生明显的有指向性的双极子形貌回音壁共振峰A(归一化散射强度定为1)。同 时,无指向性的单极子形貌回音壁模式B (虚线标示频率位置)被强烈抑制,其归一化散射 强度约为〇. 014。由于单一平面波入射属于非对称激发,因而更容易激发出双极子形貌回音 壁模式A,而不容易激发出单极子形貌回音壁模式B。无指向性的单极子形貌回音壁模式B 需要两束相向入射的同相位平面波来激发,在现实情况中并不常见。 如图4插图所示,当入射平面波沿着正对麦克风1所在槽开口的方向传入声源定 向传感器件(设定此时方向角为0° ),不同频率的入射波的声学增益不同。图4显示了在 回音壁共振条件下,实施例中麦克风1接收信号在入射波频率为695Hz附近出现10倍以上 声学增益。图4中实线为模拟结果;圆圈标记为实验结果。 如图5所示,该实施例在平面内有很强的方向辨识性能。其中,远场声源和实施例 上表面处于同一平面内,实施例为圆柱形器件,如图2所示。当方向角为0°时,即入射波与 麦克风1所在槽开口法线(指向圆心)呈〇°夹角,此时麦克风1所在的折叠槽4开口正对 远场声源。如图4所示,在平面内旋转声源定向传感器件,麦克风1接受到的归一化声压如 图5所示,实验测量的接收信号极大值对应于方向角为0°。因此,当远场声源和实施例上 表面处于同一平面内时,我们旋转实施例,当接收信号达到极大值时,麦克风1所在的折叠 槽4开口朝向即为远场声源方向。 如图6所示,该实施例在倾斜条件下亦存在很强的方向感知性能。其中,当倾斜角 以为0°时,即远场声源和实施例上表面处于同一平面内。在实施例倾斜条件下,如图6所 示,在声源定向传感器件倾斜角度为0°时声学增益最大,即实验测量的接收信号极大值对 应于倾斜角为0°。因此,当远场声源和实施例上表面不处于同一平面内时,我们倾斜实施 例,当接收信号达到极大值时,远场声源和实施例上表面则处于同一平面内。 综合所述,我们得到一种确定三维空间内任意一点远场声源方向的方法。首先,我 们倾斜声源定向传感器件,倾斜角@由-90°到+90°。当接收信号达到极大值时,远场声 源和实施例上表面则处于同一平面内。然后,我们旋转实施例,当接收信号达到极大值时, 麦克风1所在的折叠槽4开口朝向即为远场声源方向。确定声源方向后,具体位置可结合 回声测距等其他手段进一步确定。 最后由于实施例尺寸(圆盘状器件直径D = 2R2)为入射波长的1/8左右,根据波 的衍射效应,该实施例对测量声场不产生明显干扰,形成有效隐身保护。 以上所述仅是本专利技术的优选实施方式,应当指出:对于本
的普通技术人 员来说,在不脱离本专利技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视为本专利技术的保护范围。【主权项】1. 一种深亚波长尺寸声源定向传感器件,其特征在于:所述传感器件为核壳结构,核 为刚性核,壳为声学超表面,在核壳界面处安装有微型麦克风,所述声学超表面包含若干个 圆周均布的折叠槽,折叠槽远离核的一端开口,靠近核的一端封闭,以核的中心为起点,核 的中心与微型麦克风的中心所确定的射线穿过其中一个开口。2. 根据权利要求1所述的深亚波长尺寸声源定向传感器件,其特征在于:所述声学超 表面和刚性核的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍,刚性核和壳均本文档来自技高网
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一种深亚波长尺寸声源定向传感器件

【技术保护点】
一种深亚波长尺寸声源定向传感器件,其特征在于:所述传感器件为核壳结构,核为刚性核,壳为声学超表面,在核壳界面处安装有微型麦克风,所述声学超表面包含若干个圆周均布的折叠槽,折叠槽远离核的一端开口,靠近核的一端封闭,以核的中心为起点,核的中心与微型麦克风的中心所确定的射线穿过其中一个开口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:祝雪丰梁彬程建春邹欣晔
申请(专利权)人:南京大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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