專利名稱：使用懸浮體的聲速麥克風(fēng)的制作方法
使用懸浮體的聲速麥克風(fēng)交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年7月四日提交的第12/845，794號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)和于 2009年8月6日提交的第61/273，564號(hào)美國臨時(shí)專利的權(quán)益，該兩件美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?jiān)诖撕喜⒁?。簡介大多?shù)的麥克風(fēng)，即聲波傳感器，只能測量聲波壓力并不能區(qū)分入射聲波的方向。 換言之，這些麥克風(fēng)是全向傳感器。定向麥克風(fēng)/傳感器只對(duì)某一方向來到的聲波敏感，而對(duì)其他方向的聲波不敏感。在許多應(yīng)用中，僅僅測量聲壓是不夠的。其他參數(shù)，如壓力梯度和聲粒子速度，對(duì)于充分了解這些應(yīng)用的聲音特性是十分必要的。


圖1是一個(gè)典型的使用有限差分法的現(xiàn)有聲壓梯度傳感器示意圖；圖2是一個(gè)典型的現(xiàn)有聲壓力梯度傳感器的頻率響應(yīng)曲線200，該曲線200的頻率響應(yīng)有20dB/decade斜率；圖3是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的聲波波長320所顯示的典型懸浮體的示意圖；圖4是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的兩個(gè)具有不同密度的不受約束的懸浮體的典型速度響應(yīng)的典型曲線；圖5是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的聲速麥克風(fēng)典型結(jié)構(gòu)示意圖，其使用細(xì)軟的繩或彈簧把懸浮體限制在包括支架和底座的傳感器框架中；圖6是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的聲速麥克風(fēng)另一典型結(jié)構(gòu)示意圖，其使用楔形軟體把懸浮體限制在包括支架和底座的傳感器框架中；圖7是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的一個(gè)典型的受約束的懸浮體的頻率響應(yīng)(振幅和相位)的曲線，，包括低頻的安裝共振(即峰值)；圖8是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的一個(gè)典型的受約束的懸浮體的聲速頻率響應(yīng)(振幅和相位)的曲線，包括低頻的安裝共振和高頻的動(dòng)態(tài)共振(即動(dòng)態(tài)峰值)；圖9是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的一個(gè)具有檢測裝置的典型聲速麥克風(fēng)示意圖，其檢測裝置包括三個(gè)正交放置的激光光纖測速儀；圖10是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的一個(gè)典型光學(xué)檢測裝置的示意圖，其包括裝在傳感器機(jī)架底座里的測速儀光電網(wǎng)絡(luò)；圖11是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的一個(gè)典型聲成像系統(tǒng)示意圖，其包括一個(gè)懸浮體的二維OD)陣列定向聲傳感器和掃描激光多普勒測速儀(LDV)；圖12是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的包括電磁檢測裝置的聲速麥克風(fēng)示意圖；圖13是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的包括靜電檢測裝置的聲速麥克風(fēng)示意圖；圖14是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的確定聲波粒子速度的方法的流程圖；圖15是符合本發(fā)明多種實(shí)施例的確定聲波圖像的方法的流程圖。在詳細(xì)描述本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例之前，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)知道本發(fā)明并不限于以下詳細(xì)說明或圖示的構(gòu)造細(xì)節(jié)，組件安置，步驟安排。本發(fā)明可以有其他實(shí)施例并且可以用各種方式實(shí)施。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這里使用的術(shù)語和名詞用于描述的目的，而不用于限定。具體說明向量類型的聲學(xué)傳感器例如聲速麥克風(fēng)不是聲波壓力標(biāo)量麥克風(fēng)，人們對(duì)其有著強(qiáng)烈的需要。目前，有兩種方法用于定向聲學(xué)傳感。從根本上講，這兩種方法都是依靠聲壓梯度來得到傳感器的輸出。圖1是一個(gè)現(xiàn)有的使用有限差分法的壓力梯度傳感器100原理示意圖。壓力梯度傳感器100包括兩個(gè)完全匹配的全向麥克風(fēng)，它們之間有一個(gè)小的分隔距離d。一振幅為P 的平面聲波以相對(duì)于沿著間距d的線(圖中指定為X軸)角度θ入射，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為p(x，t) = P · eJ(ut-kx.cos0)(1)其中k是波數(shù)(k= ω/c)，c是空氣中的聲速，ω是角頻率。對(duì)以上壓力函數(shù)相對(duì)于距離χ求導(dǎo)數(shù)，即得到沿X軸的壓力梯度。
權(quán)利要求
1.一種定向聲學(xué)傳感器，包括一個(gè)傳感器框架；一個(gè)支撐裝置；和一個(gè)利用所述支撐裝置懸掛在所述傳感器框架中的懸浮體，其特征尺寸小于空氣中聲波最高頻率的波長，并且能夠感應(yīng)聲波激發(fā)的空氣三維運(yùn)動(dòng)，所述空氣三維運(yùn)動(dòng)用來推導(dǎo)聲波粒子的速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，還包括一個(gè)檢測裝置，用來檢測三維運(yùn)動(dòng)， 從所述三維運(yùn)動(dòng)計(jì)算懸浮體的速度，并且從懸浮體的速度推導(dǎo)出聲波的粒子速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，其中所述懸浮體為球體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，其中所述懸浮固體從包括方形或橢圓形物體的組中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中，懸浮體的速度與聲波的粒子速度之間存在線性關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，其中懸浮體是一個(gè)空心薄殼物體。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中懸浮體的速度按卡麥迪坐標(biāo)系中的三個(gè)分量給予測量，所述定向聲學(xué)傳感器是一個(gè)矢量傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中懸浮固體的速度按卡麥迪坐標(biāo)系中的一個(gè)分量給予測量，所述定向聲學(xué)傳感器是一個(gè)單軸傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中懸浮體的速度按卡麥迪坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量給予測量。所述定向聲學(xué)傳感器是一個(gè)雙軸傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，其中支撐裝置包括有形支撐物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述定向聲學(xué)傳感器，其中所述有形支撐物包括在三維空間中對(duì)稱分布的一個(gè)或多個(gè)軟繩。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的定向聲學(xué)傳感器，其中所述有形支撐物包括在三維空間中對(duì)稱分布的一個(gè)或多個(gè)軟性楔形物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向聲學(xué)傳感器，其中所述支撐裝置包括一個(gè)無形支撐。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的定向聲學(xué)傳感器，其中無形支撐包括電場。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中探測裝置是一個(gè)光學(xué)探測裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向聲學(xué)傳感器，其中探測裝置是一個(gè)電磁探測裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述中定向聲學(xué)傳感器，其中探測裝置是一個(gè)靜電探測裝置。
18.一種確定聲波粒子速度的方法，包括利用支撐裝置將一個(gè)懸浮體懸掛到傳感器框架中，所述懸浮體的特征尺寸小于空氣中最高聲波頻率的波長；通過探測裝置來探測由空氣中聲波引起的懸浮體的三維運(yùn)動(dòng)；通過探測裝置從懸浮體的三維運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出聲波粒子速度。
19.一種確定聲波的聲學(xué)圖像的方法，包括將兩個(gè)或多個(gè)定向聲學(xué)傳感器布置成多維陣列，其中每個(gè)定向聲學(xué)傳感器包含一個(gè)傳感器支架，一個(gè)支撐裝置和利用該支撐裝置懸掛到框架中的懸浮體，該懸浮體的特征尺寸小于在空氣中聲波的最高頻率波長，并能夠感應(yīng)聲波激發(fā)的空氣的三維運(yùn)動(dòng)；利用探測裝置探測每個(gè)定向聲學(xué)傳感器的三維運(yùn)動(dòng)；利用探測裝置從每個(gè)定向聲學(xué)傳感器的懸浮體的三維運(yùn)動(dòng)中推導(dǎo)出聲波的粒子速度， 其中所述的兩個(gè)或多個(gè)定向聲學(xué)傳感器產(chǎn)生了聲波的多粒子速度；和利用處理器從所述多粒子速度和多維陣列的已知位置，算出聲波的聲學(xué)圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中探測裝置包括掃描激光多普勒測振儀(LDV)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向聲學(xué)傳感器或聲速麥克風(fēng)，包括一個(gè)傳感器框架結(jié)構(gòu)，支撐裝置，和懸浮體。其懸浮體用支撐裝置安置于傳感器框架中。懸浮體的特征尺寸小于最高頻率的空氣聲波的波長。懸浮體能接收聲波激勵(lì)的空氣三維運(yùn)動(dòng)。該三維運(yùn)動(dòng)被檢測裝置所測量。檢測裝置可以是光學(xué)檢測裝置，電磁檢測裝置，或靜電檢測裝置。通過把兩個(gè)或多個(gè)定向聲學(xué)傳感器布置成多維陣列，可以確定聲波的聲圖像。
文檔編號(hào)G01H11/00GK102472660SQ201080034591
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者鄧侃 申請(qǐng)人:鄧侃