专利名称：使用悬浮体的声速麦克风的制作方法
使用悬浮体的声速麦克风交叉引用本申请要求于2010年7月四日提交的第12/845，794号美国临时专利申请和于 2009年8月6日提交的第61/273，564号美国临时专利的权益，该两件美国临时专利申请在此合并引用。简介大多数的麦克风，即声波传感器，只能测量声波压力并不能区分入射声波的方向。 换言之，这些麦克风是全向传感器。定向麦克风/传感器只对某一方向来到的声波敏感，而对其他方向的声波不敏感。在许多应用中，仅仅测量声压是不够的。其他参数，如压力梯度和声粒子速度，对于充分了解这些应用的声音特性是十分必要的。
图1是一个典型的使用有限差分法的现有声压梯度传感器示意图；图2是一个典型的现有声压力梯度传感器的频率响应曲线200，该曲线200的频率响应有20dB/decade斜率；图3是符合本发明多种实施例的声波波长320所显示的典型悬浮体的示意图；图4是符合本发明多种实施例的两个具有不同密度的不受约束的悬浮体的典型速度响应的典型曲线；图5是符合本发明多种实施例的声速麦克风典型结构示意图，其使用细软的绳或弹簧把悬浮体限制在包括支架和底座的传感器框架中；图6是符合本发明多种实施例的声速麦克风另一典型结构示意图，其使用楔形软体把悬浮体限制在包括支架和底座的传感器框架中；图7是符合本发明多种实施例的一个典型的受约束的悬浮体的频率响应(振幅和相位)的曲线，，包括低频的安装共振(即峰值)；图8是符合本发明多种实施例的一个典型的受约束的悬浮体的声速频率响应(振幅和相位)的曲线，包括低频的安装共振和高频的动态共振(即动态峰值)；图9是符合本发明多种实施例的一个具有检测装置的典型声速麦克风示意图，其检测装置包括三个正交放置的激光光纤测速仪；图10是符合本发明多种实施例的一个典型光学检测装置的示意图，其包括装在传感器机架底座里的测速仪光电网络；图11是符合本发明多种实施例的一个典型声成像系统示意图，其包括一个悬浮体的二维OD)阵列定向声传感器和扫描激光多普勒测速仪(LDV)；图12是符合本发明多种实施例的包括电磁检测装置的声速麦克风示意图；图13是符合本发明多种实施例的包括静电检测装置的声速麦克风示意图；图14是符合本发明多种实施例的确定声波粒子速度的方法的流程图；图15是符合本发明多种实施例的确定声波图像的方法的流程图。在详细描述本发明一个或多个实施例之前，本技术领域的熟练技术人员应知道本发明并不限于以下详细说明或图示的构造细节，组件安置，步骤安排。本发明可以有其他实施例并且可以用各种方式实施。此外，应当理解的是，这里使用的术语和名词用于描述的目的，而不用于限定。具体说明向量类型的声学传感器例如声速麦克风不是声波压力标量麦克风，人们对其有着强烈的需要。目前，有两种方法用于定向声学传感。从根本上讲，这两种方法都是依靠声压梯度来得到传感器的输出。图1是一个现有的使用有限差分法的压力梯度传感器100原理示意图。压力梯度传感器100包括两个完全匹配的全向麦克风，它们之间有一个小的分隔距离d。一振幅为P 的平面声波以相对于沿着间距d的线(图中指定为X轴)角度θ入射，其数学表达式为p(x，t) = P · eJ(ut-kx.cos0)(1)其中k是波数(k= ω/c)，c是空气中的声速，ω是角频率。对以上压力函数相对于距离χ求导数，即得到沿X轴的压力梯度。
权利要求
1.一种定向声学传感器，包括一个传感器框架；一个支撑装置；和一个利用所述支撑装置悬挂在所述传感器框架中的悬浮体，其特征尺寸小于空气中声波最高频率的波长，并且能够感应声波激发的空气三维运动，所述空气三维运动用来推导声波粒子的速度。
2.根据权利要求1所述的定向声学传感器，还包括一个检测装置，用来检测三维运动， 从所述三维运动计算悬浮体的速度，并且从悬浮体的速度推导出声波的粒子速度。
3.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述悬浮体为球体。
4.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述悬浮固体从包括方形或椭圆形物体的组中选择。
5.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中，悬浮体的速度与声波的粒子速度之间存在线性关系。
6.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中悬浮体是一个空心薄壳物体。
7.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中悬浮体的速度按卡麦迪坐标系中的三个分量给予测量，所述定向声学传感器是一个矢量传感器。
8.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中悬浮固体的速度按卡麦迪坐标系中的一个分量给予测量，所述定向声学传感器是一个单轴传感器。
9.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中悬浮体的速度按卡麦迪坐标系中的两个分量给予测量。所述定向声学传感器是一个双轴传感器。
10.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中支撑装置包括有形支撑物。
11.根据权利要求10所述定向声学传感器，其中所述有形支撑物包括在三维空间中对称分布的一个或多个软绳。
12.根据权利要求10所述的定向声学传感器，其中所述有形支撑物包括在三维空间中对称分布的一个或多个软性楔形物。
13.根据权利要求1所述的定向声学传感器，其中所述支撑装置包括一个无形支撑。
14.根据权利要求13所述的定向声学传感器，其中无形支撑包括电场。
15.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中探测装置是一个光学探测装置。
16.根据权利要求2所述的定向声学传感器，其中探测装置是一个电磁探测装置。
17.根据权利要求2所述中定向声学传感器，其中探测装置是一个静电探测装置。
18.一种确定声波粒子速度的方法，包括利用支撑装置将一个悬浮体悬挂到传感器框架中，所述悬浮体的特征尺寸小于空气中最高声波频率的波长；通过探测装置来探测由空气中声波引起的悬浮体的三维运动；通过探测装置从悬浮体的三维运动推导出声波粒子速度。
19.一种确定声波的声学图像的方法，包括将两个或多个定向声学传感器布置成多维阵列，其中每个定向声学传感器包含一个传感器支架，一个支撑装置和利用该支撑装置悬挂到框架中的悬浮体，该悬浮体的特征尺寸小于在空气中声波的最高频率波长，并能够感应声波激发的空气的三维运动；利用探测装置探测每个定向声学传感器的三维运动；利用探测装置从每个定向声学传感器的悬浮体的三维运动中推导出声波的粒子速度， 其中所述的两个或多个定向声学传感器产生了声波的多粒子速度；和利用处理器从所述多粒子速度和多维阵列的已知位置，算出声波的声学图像。
20.根据权利要求19所述的方法，其中探测装置包括扫描激光多普勒测振仪(LDV)。
全文摘要
本发明公开了一种定向声学传感器或声速麦克风，包括一个传感器框架结构，支撑装置，和悬浮体。其悬浮体用支撑装置安置于传感器框架中。悬浮体的特征尺寸小于最高频率的空气声波的波长。悬浮体能接收声波激励的空气三维运动。该三维运动被检测装置所测量。检测装置可以是光学检测装置，电磁检测装置，或静电检测装置。通过把两个或多个定向声学传感器布置成多维阵列，可以确定声波的声图像。
文档编号G01H11/00GK102472660SQ201080034591
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月30日 优先权日2009年8月6日
发明者邓侃 申请人:邓侃