專利名稱：使用懸浮體的聲速麥克風的制作方法
使用懸浮體的聲速麥克風交叉引用本申請要求于2010年7月四日提交的第12/845，794號美國臨時專利申請和于 2009年8月6日提交的第61/273，564號美國臨時專利的權益，該兩件美國臨時專利申請在此合并引用。簡介大多數的麥克風，即聲波傳感器，只能測量聲波壓力并不能區分入射聲波的方向。 換言之，這些麥克風是全向傳感器。定向麥克風/傳感器只對某一方向來到的聲波敏感，而對其他方向的聲波不敏感。在許多應用中，僅僅測量聲壓是不夠的。其他參數，如壓力梯度和聲粒子速度，對于充分了解這些應用的聲音特性是十分必要的。
圖1是一個典型的使用有限差分法的現有聲壓梯度傳感器示意圖；圖2是一個典型的現有聲壓力梯度傳感器的頻率響應曲線200，該曲線200的頻率響應有20dB/decade斜率；圖3是符合本發明多種實施例的聲波波長320所顯示的典型懸浮體的示意圖；圖4是符合本發明多種實施例的兩個具有不同密度的不受約束的懸浮體的典型速度響應的典型曲線；圖5是符合本發明多種實施例的聲速麥克風典型結構示意圖，其使用細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是符合本發明多種實施例的聲速麥克風另一典型結構示意圖，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是符合本發明多種實施例的一個典型的受約束的懸浮體的頻率響應(振幅和相位)的曲線，，包括低頻的安裝共振(即峰值)；圖8是符合本發明多種實施例的一個典型的受約束的懸浮體的聲速頻率響應(振幅和相位)的曲線，包括低頻的安裝共振和高頻的動態共振(即動態峰值)；圖9是符合本發明多種實施例的一個具有檢測裝置的典型聲速麥克風示意圖，其檢測裝置包括三個正交放置的激光光纖測速儀；圖10是符合本發明多種實施例的一個典型光學檢測裝置的示意圖，其包括裝在傳感器機架底座里的測速儀光電網絡；圖11是符合本發明多種實施例的一個典型聲成像系統示意圖，其包括一個懸浮體的二維OD)陣列定向聲傳感器和掃描激光多普勒測速儀(LDV)；圖12是符合本發明多種實施例的包括電磁檢測裝置的聲速麥克風示意圖；圖13是符合本發明多種實施例的包括靜電檢測裝置的聲速麥克風示意圖；圖14是符合本發明多種實施例的確定聲波粒子速度的方法的流程圖；圖15是符合本發明多種實施例的確定聲波圖像的方法的流程圖。在詳細描述本發明一個或多個實施例之前，本技術領域的熟練技術人員應知道本發明并不限于以下詳細說明或圖示的構造細節，組件安置，步驟安排。本發明可以有其他實施例并且可以用各種方式實施。此外，應當理解的是，這里使用的術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傳感器例如聲速麥克風不是聲波壓力標量麥克風，人們對其有著強烈的需要。目前，有兩種方法用于定向聲學傳感。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是一個現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包括兩個完全匹配的全向麥克風，它們之間有一個小的分隔距離d。一振幅為P 的平面聲波以相對于沿著間距d的線(圖中指定為X軸)角度θ入射，其數學表達式為p(x，t) = P · eJ(ut-kx.cos0)(1)其中k是波數(k= ω/c)，c是空氣中的聲速，ω是角頻率。對以上壓力函數相對于距離χ求導數，即得到沿X軸的壓力梯度。
權利要求
1.一種定向聲學傳感器，包括一個傳感器框架；一個支撐裝置；和一個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，并且能夠感應聲波激發的空氣三維運動，所述空氣三維運動用來推導聲波粒子的速度。
2.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，還包括一個檢測裝置，用來檢測三維運動， 從所述三維運動計算懸浮體的速度，并且從懸浮體的速度推導出聲波的粒子速度。
3.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，其中所述懸浮體為球體。
4.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，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.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中，懸浮體的速度與聲波的粒子速度之間存在線性關系。
6.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，其中懸浮體是一個空心薄殼物體。
7.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中懸浮體的速度按卡麥迪坐標系中的三個分量給予測量，所述定向聲學傳感器是一個矢量傳感器。
8.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中懸浮固體的速度按卡麥迪坐標系中的一個分量給予測量，所述定向聲學傳感器是一個單軸傳感器。
9.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中懸浮體的速度按卡麥迪坐標系中的兩個分量給予測量。所述定向聲學傳感器是一個雙軸傳感器。
10.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，其中支撐裝置包括有形支撐物。
11.根據權利要求10所述定向聲學傳感器，其中所述有形支撐物包括在三維空間中對稱分布的一個或多個軟繩。
12.根據權利要求10所述的定向聲學傳感器，其中所述有形支撐物包括在三維空間中對稱分布的一個或多個軟性楔形物。
13.根據權利要求1所述的定向聲學傳感器，其中所述支撐裝置包括一個無形支撐。
14.根據權利要求13所述的定向聲學傳感器，其中無形支撐包括電場。
15.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中探測裝置是一個光學探測裝置。
16.根據權利要求2所述的定向聲學傳感器，其中探測裝置是一個電磁探測裝置。
17.根據權利要求2所述中定向聲學傳感器，其中探測裝置是一個靜電探測裝置。
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動；通過探測裝置從懸浮體的三維運動推導出聲波粒子速度。
19.一種確定聲波的聲學圖像的方法，包括將兩個或多個定向聲學傳感器布置成多維陣列，其中每個定向聲學傳感器包含一個傳感器支架，一個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，并能夠感應聲波激發的空氣的三維運動；利用探測裝置探測每個定向聲學傳感器的三維運動；利用探測裝置從每個定向聲學傳感器的懸浮體的三維運動中推導出聲波的粒子速度， 其中所述的兩個或多個定向聲學傳感器產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，算出聲波的聲學圖像。
20.根據權利要求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
本發明公開了一種定向聲學傳感器或聲速麥克風，包括一個傳感器框架結構，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的空氣三維運動。該三維運動被檢測裝置所測量。檢測裝置可以是光學檢測裝置，電磁檢測裝置，或靜電檢測裝置。通過把兩個或多個定向聲學傳感器布置成多維陣列，可以確定聲波的聲圖像。
文檔編號G01H11/00GK102472660SQ201080034591
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月30日 優先權日2009年8月6日
發明者鄧侃 申請人:鄧侃