一種深亞波長尺寸聲源定向傳感器件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲學傳感器，具體涉及一種深亞波長尺寸聲源定向傳感器件。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的聲源定向設備，如矢量傳感器件和陣列傳感器件，分別利用媒質(zhì)中質(zhì)點振 動速度測量和多點測量，實現(xiàn)遠場聲源定向。這些設備在聲納領域有重要應用。比如探測 空中發(fā)聲飛行器或者水中發(fā)聲航行器的方向。例如矢量傳聲器原理較為復雜，不僅需測量 聲壓大小，還需進一步測量媒質(zhì)中質(zhì)點振動速度，因而價格昂貴；陣列傳感器件體型龐大， 需要校準，傳感設備容易被對方聲納發(fā)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種深亞波長尺寸聲源 定向傳感器件，利用封閉聲學超表面與入射平面波強相互作用下形成雙極子形貌回音壁共 振模式，不僅實現(xiàn)對遠場聲源精確靈敏定向，而且對測量聲場不產(chǎn)生明顯干擾，形成有效隱 身保護。
[0004] 技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種深亞波長尺寸聲源定向傳感器件， 所述傳感器件為核殼結構，核為剛性核，殼為聲學超表面，在核殼界面處安裝有微型麥克 風，所述聲學超表面包含若干個圓周均布的折疊槽，折疊槽遠離核的一端開口，靠近核的一 端封閉，以核的中心為起點，核的中心與微型麥克風的中心所確定的射線穿過其中一個開 □ 〇
[0005] 作為優(yōu)選，所述聲學超表面和剛性核的聲阻抗至少為背景媒質(zhì)聲阻抗的100倍， 剛性核和殼均為金屬或有機塑料。
[0006] 作為優(yōu)選，所述折疊槽為偶數(shù)個，折疊槽至少為四個。
[0007] 作為優(yōu)選，為了減小粘滯損耗對器件性能的不利影響，所述折疊槽的寬度至少為 1_，但寬度小于傳感器件工作頻率對應聲波波長的1/5,保證聲波在矩形槽中高階模式分 量處于深度截止狀態(tài)，傳感器件的工作頻率ω。與折疊槽L總長度的數(shù)學關系為：ω。= cQ π A2L)，c。為背景媒質(zhì)中聲速。
[0008] 作為優(yōu)選，所述開口張角寬度小于傳感器件工作頻率對應聲波波長的1/5,保證聲 波在矩形槽中高階模式分量處于深度截止狀態(tài)。
[0009] 作為優(yōu)選，所述殼為圓環(huán)狀，殼的內(nèi)半徑為1cm，殼的外半徑為3cm，殼的高度小于 傳感器件工作頻率對應聲波波長的1/5,保證聲波在矩形槽中高階模式分量處于深度截止 狀態(tài)。
[0010] 有益效果：本發(fā)明的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，巧妙地利用了封閉聲學超 表面與入射平面波強相互作用下形成雙極子形貌回音壁共振模式，不僅實現(xiàn)對遠場聲源精 確靈敏定向，而且對測量聲場不產(chǎn)生明顯干擾，形成有效隱身保護。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明一種實施例的結構示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明一種實施例的尺寸標示圖；
[0013] 圖3為圖1中實施例的聲散射強度譜圖；
[0014] 圖4為圖1中實施例的麥克風處聲學增益譜圖；
[0015] 圖5為圖1中實施例在非傾斜情況下，上表面所在平面內(nèi)的方向響應圖；
[0016] 圖6為圖1中實施例在不同傾斜角度下響應圖。
【具體實施方式】
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，為深亞波長尺寸核殼結 構，核為剛性核3,殼為聲學超表面2。核內(nèi)集成有一個微型麥克風1，其聲信號接收面緊貼 于聲學超表面2和剛性核3界面處。聲學超表面殼層2,包含四個等距離排列的折疊槽4， 折疊槽4遠離核3的一端開口，靠近核3的一端封閉，微型麥克風1的中心與核3的中心所 確定的直線在其中一個開口內(nèi)。如圖2所示，所述聲學超表面殼層內(nèi)半徑R 1= 1厘米，外 半徑R2=3厘米，每個槽的寬度為1.5毫米，開口處張角Θ =6°，總長度為約為L= 12 厘米。槽的折疊方式可以多樣化，圖2為其中一種。根據(jù)模式匹配法，我們可以得到工作頻 率和單個折疊槽總長度的關系為：ω。= c。π A2L)，其中，c。為背景媒質(zhì)中聲速。根據(jù)關系 式，我們得到該具體實施例在空氣中的工作頻率應為700Hz附近，波長約為0. 49m。上述剛 性核3和聲學超表面2的聲阻抗至少為背景媒質(zhì)聲阻抗的100倍，為金屬或有機塑料。如 圖2所示，聲波波長約為器件尺寸D = 2R2的八倍，可以根據(jù)實際做相應調(diào)整。
[0018] 如圖3所示，散射強度譜圖顯示了該實施例在工作頻率700Hz附近（實線標示頻 率位置）產(chǎn)生明顯的有指向性的雙極子形貌回音壁共振峰A(歸一化散射強度定為1)。同 時，無指向性的單極子形貌回音壁模式B (虛線標示頻率位置）被強烈抑制，其歸一化散射 強度約為〇. 014。由于單一平面波入射屬于非對稱激發(fā)，因而更容易激發(fā)出雙極子形貌回音 壁模式A，而不容易激發(fā)出單極子形貌回音壁模式B。無指向性的單極子形貌回音壁模式B 需要兩束相向入射的同相位平面波來激發(fā)，在現(xiàn)實情況中并不常見。
[0019] 如圖4插圖所示，當入射平面波沿著正對麥克風1所在槽開口的方向傳入聲源定 向傳感器件（設定此時方向角為0° )，不同頻率的入射波的聲學增益不同。圖4顯示了在 回音壁共振條件下，實施例中麥克風1接收信號在入射波頻率為695Hz附近出現(xiàn)10倍以上 聲學增益。圖4中實線為模擬結果；圓圈標記為實驗結果。
[0020] 如圖5所示，該實施例在平面內(nèi)有很強的方向辨識性能。其中，遠場聲源和實施例 上表面處于同一平面內(nèi)，實施例為圓柱形器件，如圖2所示。當方向角為0°時，即入射波與 麥克風1所在槽開口法線（指向圓心）呈〇°夾角，此時麥克風1所在的折疊槽4開口正對 遠場聲源。如圖4所示，在平面內(nèi)旋轉聲源定向傳感器件，麥克風1接受到的歸一化聲壓如 圖5所示，實驗測量的接收信號極大值對應于方向角為0°。因此，當遠場聲源和實施例上 表面處于同一平面內(nèi)時，我們旋轉實施例，當接收信號達到極大值時，麥克風1所在的折疊 槽4開口朝向即為遠場聲源方向。
[0021] 如圖6所示，該實施例在傾斜條件下亦存在很強的方向感知性能。其中，當傾斜角 以為0°時，即遠場聲源和實施例上表面處于同一平面內(nèi)。在實施例傾斜條件下，如圖6所 示，在聲源定向傳感器件傾斜角度為0°時聲學增益最大，即實驗測量的接收信號極大值對 應于傾斜角為0°。因此，當遠場聲源和實施例上表面不處于同一平面內(nèi)時，我們傾斜實施 例，當接收信號達到極大值時，遠場聲源和實施例上表面則處于同一平面內(nèi)。
[0022] 綜合所述，我們得到一種確定三維空間內(nèi)任意一點遠場聲源方向的方法。首先，我 們傾斜聲源定向傳感器件，傾斜角@由-90°到+90°。當接收信號達到極大值時，遠場聲 源和實施例上表面則處于同一平面內(nèi)。然后，我們旋轉實施例，當接收信號達到極大值時， 麥克風1所在的折疊槽4開口朝向即為遠場聲源方向。確定聲源方向后，具體位置可結合 回聲測距等其他手段進一步確定。
[0023] 最后由于實施例尺寸（圓盤狀器件直徑D = 2R2)為入射波長的1/8左右，根據(jù)波 的衍射效應，該實施例對測量聲場不產(chǎn)生明顯干擾，形成有效隱身保護。
[0024] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述傳感器件為核殼結構，核 為剛性核，殼為聲學超表面，在核殼界面處安裝有微型麥克風，所述聲學超表面包含若干個 圓周均布的折疊槽，折疊槽遠離核的一端開口，靠近核的一端封閉，以核的中心為起點，核 的中心與微型麥克風的中心所確定的射線穿過其中一個開口。2. 根據(jù)權利要求1所述的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述聲學超 表面和剛性核的聲阻抗至少為背景媒質(zhì)聲阻抗的100倍，剛性核和殼均為金屬或有機塑 料。3. 根據(jù)權利要求1所述的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述折疊槽 為偶數(shù)個，折疊槽至少為四個。4. 根據(jù)權利要求1或3所述的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述折 疊槽的寬度至少為1_，但小于傳感器件工作頻率對應聲波波長的1/5,傳感器件的工作頻 率w。與折疊槽總長度L的數(shù)學關系為：《。= c。Ji A2L)，c。為背景媒質(zhì)中聲速。5. 根據(jù)權利要求4所述的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述開口的 張角寬度小于傳感器件工作頻率對應聲波波長的1/5。6. 根據(jù)權利要求5所述的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，其特征在于：所述殼為圓 環(huán)狀，殼的內(nèi)半徑為lcm，殼的外半徑為3cm，殼的高度小于傳感器件工作頻率對應聲波波 長的1/5。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，所述傳感器件為核殼結構，核為剛性核，殼為聲學超表面，在核殼界面處安裝有微型麥克風，所述聲學超表面包含若干個圓周均布的折疊槽，折疊槽遠離核的一端開口，靠近核的一端封閉，以核的中心為起點，核的中心與微型麥克風的中心所確定的射線穿過其中一個開口。本發(fā)明的深亞波長尺寸聲源定向傳感器件，巧妙地利用了封閉聲學超表面與入射平面波強相互作用下形成雙極子形貌回音壁共振模式，不僅實現(xiàn)對遠場聲源精確靈敏定向，而且對測量聲場不產(chǎn)生明顯干擾，形成有效隱身保護。
【IPC分類】G01S3/781
【公開號】CN105158729
【申請?zhí)枴緾N201510623734
【發(fā)明人】祝雪豐, 梁彬, 程建春, 鄒欣曄
【申請人】南京大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月25日