超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及声波控制领域，公开了超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法，一种超声波换能器，包括由PVDF膜制成的压电晶片，PVDF膜的截面为波浪形。本发明专利技术可实现定向驱鸟目的，通过波浪形的PVDF膜加强传播过程中波形的叠加，避免声波在传播过程中难以加强，可更为有利定向驱鸟。

【技术实现步骤摘要】
超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法
本专利技术涉及声波控制领域，具体是指超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法。
技术介绍
民航机场鸟击事件频发，事故征候比例增大影响民航运输安全。中国由于鸟击原因造成的事故征候已占事故征候总数的1/3，在美国由于鸟击造成的经济损失高达每年6亿美元。自1988年以来，由于鸟击引起的坠机事故已经造成超过190人死亡。因此，建设一套科学、高效的驱鸟系统对机场驱散鸟群、鸟情防范、预防鸟击具有重大意义。驱鸟系统集成了定向声波驱鸟设备和设备管理系统，实现了机场对鸟群的有效驱赶和集中防控等功能。但是，现有定向声波驱鸟设备中常采用音频放大电路对音频信号进行功率放大来有效消除声音失真或使低频信号与载波信号的幅度之比(即调制比m)要足够小来保证较小的失真率。前者的音频放大电路在实际使用中存在放大电路和扬声器的频率响应问题，即必须保证放大电路对所有频率的信号都有相同的放大性能(放大倍数)，也必须保证扬声器对所有频率的信号都有相同的响应性能，这在实际设计中是难以实现的。单就放大电路而言，在音频范围内保证放大电路对所有频率的信号都有基本相同的放大性能并不困难，但是要保证扬声器对所有音频的信号都有相同的响应性能则几乎不可能，因为扬声器并不是简单的纯阻性负载，而是由线圈和永磁体复合组成的，具有电阻性，电感性(线圈)以及能够感生电动势的特性(线圈切割磁力线)，因此具有很复杂的频率响应特性。同时，不同结构、不同大小的扬声器的频率响应特性也是不同的。因此，采用音频放大电路对音频信号进行功率放大来消除失真或保证较小的失真是不便于实现的。后者采用使低频信号与载波信号的幅度之比(即调制比m)要足够小来保证较小的失真率在实际应用中还需要考虑信号频带范围的大小，但是现有的定向声波发射器并未给出信号频带范围对失真的影响，从而不利于避免声音的失真。而且现有定向声波驱鸟设备中的D类数字大功率多路音频放大器在输出MOSFET可能是完全启动(饱和)或完全关闭(切断)的，其效果在于减小晶体管的功耗，并增加放大器的效率。不幸的是，开关时间和非交换时间中总会有损失(开关损耗和传导损失)，不利于更加有效的增大放大器的效率。并且现有定向声波驱鸟设备中的超声波换能器是采用压电晶体或压电陶瓷作为机械振动介质的，其用压电晶体或压电陶瓷作为机械振动介质的超声波换能器结构复杂、稳定度不高，同时其声抗组和空气较为不接近，不能很好的与空气介质配合，不利于用超声波换能器对超声波向空气中辐射。同时现有的定向声波驱鸟设备释放出的声波束难以在指定方向上得到加强，从而不能有效对特定方向上的鸟群用加权后的超声波进行驱散。因此我们迫切需要一种能够有利于定向驱鸟的超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了超声波换能器、定向声波驱鸟系统及方法，本专利技术可实现定向驱鸟目的，通过波浪形的PVDF膜加强传播过程中波形的叠加，避免声波在传播过程中难以加强，避免声波在传播过程中难以加强，可更为有利定向驱鸟。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超声波换能器，包括由PVDF膜制成的压电晶片，PVDF膜的截面为波浪形。在本专利技术中，压电晶片用于发射和接收超声波，压电晶片由PVDF膜制成，且PVDF膜的截面为波浪形，有利于使PVDF膜峰谷处的波形在传播中互相叠加，又由于PVDF膜的相邻波峰波谷的交线上，由于激励引起的力和位移大小相等方向相反，故位置不动而只允许转动，交线变成为虚拟轴线，形成虚拟边界，即可不用使用夹片对PVDF膜进行固定，实现定向驱鸟的目的。本专利技术可实现定向驱鸟目的，通过波浪形的PVDF膜加强传播过程中波形的叠加，避免声波在传播过程中难以加强，可更为有利定向驱鸟。作为一种优选的方式，还包括壳体、两根电极线和接地线，壳体一端设有保护膜，壳体内压电晶片与保护膜紧贴，壳体内设有吸收块，两根电极线分别接在压电晶片的上端面和下端面并穿过吸收块伸出壳体外，壳体内与压电晶片上端面连接的电极线上耦合连接有匹配电感，壳体和接地线连接。作为一种优选的方式，压电晶片的PVDF膜的相邻波峰波谷的峰谷高度差h≈λ/2，其中λ为传声介质中超声波的波长。一种定向声波驱鸟系统，根据如权利要求1～3中任一所述的一种超声波换能器，包括：低通滤波器，接收从音源输出的音频信号并滤除高频噪声后产生模拟信号；A/D转换器，接收低通滤波器输出的模拟信号并经过A/D信号采样后输出频谱受限的数字音频受限信号；信号处理器，接收A/D转换器输出频谱受限的数字音频受限信号并经过信号处理后输出时间延迟和信号加权的PCM音频数据流；D类功率放大器，接收信号处理器输出的PCM音频数据流并经过信号处理后输出放大的音频信号；定向声波驱鸟器，定向声波驱鸟器内的发声单元为超声波换能器，超声波换能器为权利要求1～3中任一所述的超声波换能器，多个定向声波驱鸟器在飞机跑道四周呈矩形式阵列排布，接收D类功率放大器输出的放大的音频信号并向鸟群方向释放具有指向性的声波束。在本专利技术中，音源输出音频信号，低通滤波器接收音频信号并对音频信号滤除高频噪音后输出模拟信号，A/D转换器接收来自低通滤波器模拟信号，并将模拟信号经过A/D信号采样后输出频谱受限的数字音频受限信号，信号处理器接收来自A/D转换器输出的频谱受限的数字音频受限信号并对其进行信号处理后输出时间延迟和信号加权的PCM音频数据流，D类功率放大器接收来自信号处理器输出时间延迟和信号加权的的PCM音频数据流后经过信号处理输出放大的音频信号，定向声波驱鸟器接收放大的音频信号后向驱散区域辐射定向的超声波，且多个定向声波驱鸟器在飞机跑道四周呈矩形式阵列排布，根据鸟群方向，最后从定向声波驱鸟器输出的声波束中进行求和得到一条具有指向性的声波束，实现对特定方向输出具有指向性声波束的目的。本专利技术可实现对特定方向输出指向性声波束目的，对输入定向声波驱鸟器放大的音频信号进行时间延迟和加权，再从定向声波驱鸟器输出的声波束中求和得到一个指向性的声波束，有利于对鸟群进行驱赶。作为一种优选的方式，还包括用于控制低通滤波器、A/D转换器、信号处理器和D类功率放大器之间运行的系统核心服务器，系统核心服务器上设有与其电连接的系统管理基础平台。作为一种优选的方式，还包括移动终端、机场网络和防火墙，系统核心服务器上设有与其电连接的交换机，系统管理基础平台与交换机电连接，机场网络访问防火墙后通过交换机与系统核心服务器连接，移动终端与机场网络无线连接。作为一种优选的方式，信号处理器包括需要一个无限带宽的理想算法模块、可物理实现的近似算法模块、在调制系数下，对近似算法模块得出波形振幅时间函数相对于理想算法模块得出的波形振幅时间函数进行误差分析的关系分析模块和能够使PCM音频数据流时间延迟与信号加权的控制模块，无限带宽的理想算法模块为频谱受限的数字音频受限信号与波形振幅时间函数的关系符合下式：y(t)为波形振幅时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波换能器，其特征在于，包括由PVDF膜制成的压电晶片(150)，所述PVDF膜的截面为波浪形。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声波换能器，其特征在于，包括由PVDF膜制成的压电晶片(150)，所述PVDF膜的截面为波浪形。


2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：还包括壳体(110)、两根电极线(120)和接地线(130)，所述壳体(110)一端设有保护膜(140)，所述壳体(110)内压电晶片(150)与保护膜(140)紧贴，所述壳体(110)内设有吸收块(160)，所述两根电极线(130)分别接在压电晶片(150)的上端面和下端面并穿过吸收块(160)伸出壳体(110)外，所述壳体(110)内与压电晶片(150)上端面连接的电极线(120)上耦合连接有匹配电感(170)，所述壳体(110)和接地线连接(130)。


3.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述压电晶片(150)的PVDF膜的相邻波峰波谷的峰谷高度差h≈λ/2，其中λ为传声介质中超声波的波长。


4.一种定向声波驱鸟系统，其特征在于，包括：
低通滤波器(210)，接收从音源输出的音频信号并滤除高频噪声后产生模拟信号；
A/D转换器(220)，接收所述低通滤波器(210)输出的模拟信号并经过A/D信号采样后输出频谱受限的数字音频受限信号；
信号处理器(230)，接收所述A/D转换器(220)输出频谱受限的数字音频受限信号并经过信号处理后输出时间延迟和信号加权的PCM音频数据流；
D类功率放大器(240)，接收所述信号处理器(230)输出的PCM音频数据流并经过信号处理后输出放大的音频信号；
定向声波驱鸟器(3)，所述定向声波驱鸟器(3)内的发声单元为超声波换能器(1)，超声波换能器(1)为权利要求1～3中任一所述的超声波换能器；多个所述定向声波驱鸟器(3)在飞机跑道四周呈矩形式阵列排布，接收所述D类功率放大器(240)输出的放大的音频信号并向鸟群方向释放具有指向性的声波束。


5.根据权利要求4所述的一种定向声波驱鸟系统，其特征在于：还包括用于控制低通滤波器(210)、A/D转换器(220)、信号处理器(230)和D类功率放大器(240)之间运行的系统核心服务器(2)，所述系统核心服务器(2)上设有与其电连接的系统管理基础平台(4)。


6.根据权利要求5所述的一种定向声波驱鸟系统，其特征在于：还包括移动终端(5)、机场网络(6)和防火墙(7)，所述系统核心服务器(2)上设有与其电连接的交换机(8)，所述系统管理基础平台(4)与交换机(8)电连接，所述机场网络(6)访问防火墙(7)后通过交换机(8)与系统核心服务器(2)连接，所述移动终端(5)与机场网络(6)无线连接。


7.根据权利要求4所述的一种定向声波驱鸟系统，其特征在于：所述信号处理器(230)包括需要一个无限带宽的理想算法模块(231)、可物理实现的近似算法模块(232)、在调制系数下，对近似算法模块(232)得出波形振幅时间函数相对于理想算法模块(231)得出的波形振幅时间函数进行误差分析的关系分析模块(233)，和能够使PCM音频数据流时间延迟与信号加权的控制模块(234)，
无限带宽的理想算法模块(231)的频谱受限的数字音频受限信号与波形振幅时间函数的关系符合下式：



y(t)为波形振幅时间函数，f(t)为频谱受限的数字音频受限信号，ωc为角频率(ωc＝2π*f)，t为时间，f为频率，m为调制系数；
所述近似算法模块(232)为频谱受限的数字音频受限信号与波形振幅时间函数的关系符合下式...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘培刚，何鹏，曹立，丁舒，邓平，陈洪钢，
申请(专利权)人：民航成都电子技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51