影响超声换能器阵指向性的几个关键因素研究

在声频定向参量阵发射系统中,需采用若干个超声换能器阵元组成发射阵列,换能器阵元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生重大影响.该文分别从单个阵元的指向性和不同形状的换能器阵列的指向性两方面进行了研究.仿真试验结果表明,对于单个换能器阵元,随着其尺寸大于波长,换能器呈现愈强的指向性;对于换能器阵列,面积相当、换能器个数相同的矩形换能器阵指向性优于圆形换能器阵,增加换能器阵列的阵元个数有利于抑制旁瓣,提高其指向性.     

超声调制的声频定向传输指向性分析

音频信号的指向性要求是声频定向传输系统的根本要求。使用单个超声波换能器很难达到指向性要求,需要使用超声波换能器阵列。超声换能器阵列的参数性质在一定程度上决定了声频定向传输的指向性。本文通过详细的理论推导与计算,分析了影响超声调制的声频定向传输指向性的相关参数。通过分析计算得到,声频定向传输指向性与超声波换能器阵列排列形式、换能器阵列中各个振元的间距、振元个数以及载波频率等有关。在设计声频定向传输系统时需要结合实际要求,综合考虑定向传输的指向性和传输效率选择载波频率和设计超声波换能器阵列。     

超声调制的声频定向传输指向性分析

音频信号的指向性要求是声频定向传输系统的根本要求。使用单个超声波换能器很难达到指向性要求,需要使用超声波换能器阵列。超声换能器阵列的参数性质在一定程度上决定了声频定向传输的指向性。本文通过详细的理论推导与计算,分析了影响超声调制的声频定向传输指向性的相关参数。通过分析计算得到,声频定向传输指向性与超声波换能器阵列排列形式、换能器阵列中各个振元的间距、振元个数以及载波频率等有关。在设计声频定向传输系统时需要结合实际要求,综合考虑定向传输的指向性和传输效率选择载波频率和设计超声波换能器阵列。     

微型声频定向换能器阵列指向性研究

通过对微型声频定向换能器阵列的指向性参量研究,设计并制造了基于微机电系统(MEMS)的锆钛酸铅(PZT)薄膜换能器阵列,为声频定向扬声器的发声部件微型化提供了一种可行的实现方法.从理论上分析了阵元半径、阵元个数和阵元中心间距等结构参数对指向性的影响,确定各阵元正方形排列可获得预期的圆柱形声音传播空间,阵元数量越多,声波指向性越强,并指出当阵元间距约为波长的1/2时,旁瓣抑制效果量明显.最后对微型MEMS换能器阵列实物做指向性测试,实验结果与理论分析结果基本一致.     

新型曲面换能器阵指向性研究

利用抛物面几何结构的自聚焦性能优化设计了一种新型的抛物面换能器阵。基于声场理论,推导出换能器阵的三维指向性函数表达式。数值仿真了阵元数目、抛物面焦距和工作频率等参数对阵列指向性因数的影响。仿真实验结果表明,相对于传统平面圆环阵列而言,在换能器目数相同的情况下,抛物面相控阵列指向性因数增加了1倍,具有较高的指向性和抑制旁瓣能力,是较理想的组合声源。通过优化参数,抛物面换能器阵可获得最佳指向性,进而为声频定向扬声器的设计及研究提供了理论基础。     

二维稀疏相控阵声场优化及阵元故障影响分析

针对二维稀疏超声相控阵声场分布中的栅瓣和旁瓣问题,推导了二维稀疏超声相控阵的指向性公式,并利用发射阵列和接收阵列交错分布的方式消除栅瓣及抑制旁瓣,从而优化声场特性,优化后横向和侧向扫描范围由30°扩大到60°。建立了优化后阵列声场指向性与损坏阵元位置的函数关系式。声场指向性仿真结果表明,距阵列中心越近的阵元损坏时旁瓣升高越多,单个阵元损坏导致一级旁瓣最多升高20dB,主瓣下降约6dB,且与损坏阵元位置无关;相同位置的发射阵列和接收阵列阵元同时损坏时,对声场特性影响达到最大。     

压电MEMS超声换能器阵列声场研究

研究了一种基于微电子和微机械加工技术的六边形压电超声换能器阵列。依据活塞声源辐射声场特性,采用瑞利积分法计算了方形膜声压及指向性函数;运用惠更斯原理,仿真模拟了阵列远场声压分布。理论分析了阵元边长、阵元中心间距和阵元数目等结构参数对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响。结果表明,该阵列模型不仅能完全消除栅瓣,有效抑制旁瓣,减小主瓣宽度,且在低频(约10kHz量级)范围有很高的指向性。通过优化阵列参数,可获得最佳的声压分布,进而为阵列设计和声场分析提供理论参考。     

阵列天线的遗传优化

非均匀稀布阵通常具有较高的旁瓣。为降低旁瓣,本文对传统遗传算法进行了改进并用于阵元位置的优化。对于一个孔径为50λ,由25个阵元组成的阵列天线,本文获得了比已有文献更低的旁瓣。     

阵列天线的遗传优化

非均匀稀布阵通常具有较高的旁瓣,为降低旁瓣,本文对传统遗传算法进行了改进并用于阵元位置的优化,对于一个孔径为５０λ,由２５个阵元组成的阵列天线,本文获得了比已有文献更低的旁瓣。     

一种新型的参量阵扬声器阵列设计与优化

超声传感器阵列指向性决定了参量阵扬声器再现音频指向性的性能.提高超声发射阵的指向性也是实现高指向性低频声波的关键技术之一.基于阵列指向性基本理论及与线列阵组合平面阵进行分析比较,提出了一种球面六边形阵列.仿真试验结果表明,球面六边形阵列扬声器不仅完全消除栅瓣,主瓣宽度也更窄.且采用改进的遗传算法通过幅度加权优化该阵列使其旁瓣级低于-20 dB,进一步优化了指向性性能.     

光纤激光相控阵阵元分布优化方法

提高主瓣的能量集中度和抑制栅瓣问题是当前光纤激光相控阵技术面向应用的关键。文中从说明激光相控阵在技术上难以满足/2的阵元间隔,由此导致诸多栅瓣产生的原因入手,并考虑到目前常用不等间隔栅瓣抑制方法将导致相控阵口径增大的难题,提出了一种将遗传算法引入到光纤激光相控阵阵元分布优化的设想。主要方法是从最大限度抑制栅瓣的角度提出一个与主瓣能量集中度和主瓣/旁瓣对比度相关的适应度函数;将遗传算法中的特征参数与光纤激光相控阵的主要参数相对应;然后以20路阵元/阵元间隔为3倍波长、50路阵元/阵元间隔为20倍波长两种线阵情况为例,分别仿真计算了传统的等间距阵元和不等间距阵元分布,及遗传算法优化阵元分布三种情况,得到的光纤激光相控阵远场能量分布、主瓣能量集中度和主瓣与最大栅瓣对比度,并对其进行了比较。结果表明,遗传算法较等间距、不等间距方法的主瓣能量集中度分别提高了9.69%、3.33%,主瓣与第一栅瓣能量对比度分别提高了13.12%、9%。由此可预期基于遗传算法优化的相控阵有望在同等激光发射总功率下获得更远的作用距离。     

用于手机的微型声频定向扬声器

提出了一种用于手机的微型声频定向扬声器实现方法,该新型扬声器可将声音控制在发声单元正前方轴向传播,能为使用者提供免提的局部声音服务.4只直径为(φ)10 mm的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷超声换能器组阵作为发声部件,换能器阵列谐振频率作为超声载波频率,数字信号处理器(DSP)芯片作为声频定向调制算法实现平台,D类超声功率放大器为阵列驱动器,诺基亚N73手机作为外壳,制作出了样机.对换能器单元及阵列阻抗、声压级频率响应等特性进行了测试和分析,对样机作了自解调可听声指向性测试和整机功耗测试.实验结果表明,样机尺寸、功率和声压级基本满足手机中的应用需求,为微型声频定向扬声器在便携式多媒体设备中的应用提供了实践依据.     

Adaptive antenna systems

A system consisting of an antenna array and an adaptive processor can perform filtering in both the space and the frequency domains, thus reducing the sensitivity of the signal-receiving system to interfering directional noise sources. Variable weights of a signal processor can be automatically adjusted by a simple adaptive technique based on the least-mean-squares (LMS) algorithm. During the adaptive process an injected pilot signal simulates a received signal from a desired "look" direction. This allows the array to be "trained" so that its directivity pattern has a main lobe in the previously specified look direction. At the same time, the array processing system can reject any incident noises, whose directions of propagation are different from the desired look direction, by forming appropriate nulls in the antenna directivity pattern. The array adapts itself to form a main lobe, with its direction and bandwidth determined by the pilot signal, and to reject signals or noises occurring outside the main lobe as well as possible in the minimum mean-square error sense. Several examples illustrate the convergence of the LMS adaptation procedure toward the corresponding Wiener optimum solutions. Rates of adaptation and misadjustments of the solutions are predicted theoretically and checked experimentally. Substantial reductions in noise reception are demonstrated in computer-simulated experiments. The techniques described are applicable to signal-receiving arrays for use over a wide range of frequencies.     

基于自适应遗传算法的稀布阵天线优化

稀布阵能够以较少的天线单元,通过稀布的方式和先进的处理算法获得与传统等间距阵相当的孔径效能,降低了系统的硬件成本,具有灵活布置的优点、重要的研究意义和应用价值。稀布阵与同口径满布阵相比副瓣电平较高。文中提出了一种基于自适应遗传算法的稀布阵列综合优化方法。该算法采用实值编码方式,引入自适应遗传算子,有效提高了优化效率,避免陷入个体早熟及局部收敛,得到了更低的副瓣电平。给出了具体实现步骤以及仿真实例,结果表明,采用自适应遗传算法,得到了更低的稀布阵天线副瓣电平。     

基于遗传算法的球面阵列旁瓣电平优化方法

针对共形球面天线阵列,采用有向天线阵元,在保持阵列孔径不变的条件下,以阵元分布位置作为优化变量,以降低最大相对旁瓣电平为优化目标,运用改进的遗传算法对阵列进行稀疏优化,仿真结果表明:该方法能够降低球形阵列的旁瓣电平,达到了减少阵元个数、降低天线系统成本的目的。     

Improve the performance of a linear array by changing the spaces among array elements in terms of genetic algorithm

The pattern of linear array is optimized via adjusting the current allocations and positions of elements simultaneously in terms of improved genetic algorithm (GA). Optimized results show that minute modification of the element positions can improve the array pattern, especially for the fewer elements case. It is found that the improvements are attributed to additional side lobes, which involved some radiation energy and resulted in reduction of relative side lobe level (RSLL). In the optimal process, some skills, such as the soft constraints linked to the fitness function, the adaptive searching area, the injection of simulated annealing and immune operator etc., are used to make the algorithm more effective.     

基于粒子群优化的宽带同心圆环阵型优化方法

同心圆环传声器阵列广泛应用于声成像阵列系统,能有效地抑制干扰并确定声源位置。在限定阵元数量、阵列最大孔径和最小阵元间距等条件下,提出了一种利用粒子群算法设计宽带低旁瓣同心圆环传声器阵列的方法。该方法通过构造一个反映宽带信号在扫描区域内旁瓣水平的适应度函数,以圆环半径和阵元偏转角作为联合优化参数,基于粒子群优化算法实现了阵型的快速优化求解。仿真实验表明,该方法获得的优化阵型在扫描范围内的整体旁瓣水平低于以最高旁瓣级为适应度函数得到的最优阵型,也低于仅优化圆环半径获得的最优阵型,这说明了该优化方法的可行性和有效性。