超指向性扬声器的系统设计与测试

超指向性扬声器是一种利用声波在空气中传播的非线性由不可听超声产生可听声的参量阵装置,这种声源相比相同大小的传统扬声器,可以产生非常强的指向性、像聚光灯光束一样的宽带可听声束.文章介绍了超指向性扬声器的基本原理,给出了一个基于模拟电路的系统实现方案,并着重介绍了基于所完成的工程样机所做的频率响应、总谐波失真和指向性测试及相关实验分析,还讨论了进一步工作的发展方向.     

参量阵及其在水声工程中的应用进展

参量阵技术因其可以在小的基阵尺寸下获得低频窄波束,且波束无旁瓣,并容易获得较大的信号带宽,从上个世纪60年代起获得了广泛的关注和深入的研究,并且在水声工程和超声成像领域获得了比较广泛的应用。文章介绍了参量阵产生次级声场的基本原理、参量阵声场的特点以及相关的物理和数学模型,回顾了参量阵技术在水声工程中的主要应用历史,特别指出了其最成功的应用是高分辨率海底底层剖面仪,因为这个应用最大限度地回避了参量阵技术面临的两个主要问题：转换效率低因而差频声源级不高,以及实现多波束困难因而探测效率较低,并从物理和工程角度深入探讨了这两个问题,提出了进一步研究的重点和对未来应用的展望。     

复合声基阵指向性研究

计算并分析了线阵、离散复合阵指向性,连续复合阵不同孔径函数透声窗的指向性以及孔径函数与旁瓣级的关系;并且通过实验验证了复合声学系统对指向性的改善,为实际布阵提供了重要的依据.     

一种简单的宽带基阵设计和处理方法

文章提供了一种简单的基阵设计和处理方法 ,这种方法利用 3个均匀子线阵 ,通过调整每个子阵的基本间距 ,来改变子阵的指向性函数 ,使得 1个子阵的指向性函数的栅瓣或旁瓣对应另 1个子阵指向性函数的零点 ,最后把 3个子阵的指向性函数相乘 ,得到总的指向性函数。由于 1个阵的指向性函数的零点抵消另 1个阵的指向性函数的栅瓣或旁瓣 ,这样可以得到比较好的指向性函数。因为 3个子阵的疏密程度不一 ,使得它们的栅瓣相互错开 ,因而特别适用于宽带信号     

声参量换能器阵的研制

为了实现水下掩埋目标的三维探测和满足海底地质调查的需要，我们已成功地研制了用于Ｄ＆Ｚ－１声参量多频海底测绘系统的声参量阵。在我国东海和澳大利亚悉尼港的实验中得到了非常满意的结果。声参量阵在低频段能形成高指向性，小旁瓣及宽频带声辐射，它与同频率的线性发射阵相比具有体积小，重量轻等优点。该基阵内的振子采用了半波长复合棒换能器。整个基阵由聚氨脂密封。辐射面是带匹配层的矩形平面，所以本基阵具有：（１）电声转换效率高；（２）振子承受功率的能力大，在短脉冲条件（＜１ｍｓ）下，辐射声强可达１２．５Ｗ／ｃｍ２；…     

参量阵声纳的新应用分析

介绍了近几年国外参量阵技术在浅海探测声纳、吊放声纳、鱼雷自导声纳、浅海水声通讯等方面的应用进展情况。针对频率为30kHz的线性小目标探测声纳,对原频90kHz、差频30kHz的非线性参量阵进行了性能估算,结果表明,参量阵声纳在高混响背景下探测小目标的性能优于线性声纳。文章还分析了参量阵声纳的新应用所面临的一些技术难点,给出了一种相对简单的宽带参量阵的实现方法。     

介质扰动对声波的调制效应-参量接收阵及其他

文章从Lighthill方程出发,对介质扰动产生声传播非线性效应的国内、外研究情况进行了综述性介绍,重点介绍声波在被声场中同时存在的另一声波所扰动的介质中传播而产生的所谓“声散射声”现象,特别是由此而衍生的参量接收阵的理论、试验以及应用情况。绝大多数关于参量接收阵的理论和实验研究,都是着眼于其在小的径向(垂直于声传播方向)孔径条件下实现低频窄波束接收的特性,但这篇文章主要关注利用参量接收阵实现低频高增益接收的理论和试验研究;除重点介绍了国内、外的试验情况外,还特别关注将参量接收阵进行工程应用时面临的关键技术难点以及可能的解决思路。此外,文章还针对另一种介质扰动对声传播的调制效应,即“流散射声”,以及国外与此有关的工程应用、特别是苏联进行的号称超远程探潜应用进行了介绍和分析。     

多阵元平面阵阵元不同组合的指向性拟合计算

在基于多模振动的超宽带声基阵的研究中,需要了解该阵同单模振动相比的电声效率的变化。为此,必须要对宽带声阵的空间增益有一个正确的可信的估算。本文就是按实测的声阵指向性图通过拟合指向性函数,然后经数学处理得到空间增益,再经简单换算得到电声效率,以便正确评估匹配层宽带换能器基阵的性能。     

200～800Hz低频、宽带、全向、大功率轻质水下换能器

该换能器由声纳技术国防科技重点实验室研制。具有低频、宽带、无指向性、大功率和轻质等特点。可以应用于潜艇和水面舰船噪声模拟、声纳性能检测、甚低频水声试验、海洋远程水声通信、海底资源探测和地质研究等领域。性能参数见表1。还可根据需要,开发频率更高或更低的同类低频换能器,以及设计合适的外形和吊装结构。     

点圆阵的矩阵变换对

针对点圆阵用常规方法不能有效压低旁瓣问题,从点圆阵指向性函数计算公式出发,导出指向性函数和权系数之间关系的点圆阵矩阵变换对,较好地解决了点圆阵指向性综合问题,有效压低点圆阵波束的旁瓣。该方法具有公式直观、使用方便、计算快捷的特点,适用于相控到任意方向和各种形状的波束综合;也适用于由多个同心点圆阵构成的体积阵指向性综合。     

超指向性扬声器的阵列设计与研究

超指向性扬声器的阵列设计要求阵列具有高指向性,并且无旁瓣.基于对线列阵和矩形平面阵的理论分析,以及均匀线列阵和矩形交错阵的理论分析和比较,提出了一种六边形交错阵列设计,计算机模拟和实测均表明该阵列3dB波束宽度小于5°主旁瓣比为8.3,满足设计要求.初步分析了传感器相位对换能器阵列指向性的影响,为挑选换能器阵元组成阵列提供了理论指导.     

Design of a hexagonal air-coupled capacitive micromachined ultrasonic transducer for air parametric array

An air parametric array can generate a highly directional beam of audible sound in air,which has a wide range of applications in targeted audio delivery.Capacitive micromachined ultrasonic transducer(CMUTs)have great potential for air-coupled applications,mainly because of their low acoustic impedance.In this study,an air-coupled CMUT array is designed as an air parametric array.A hexagonal array is proposed to improve the directivity of the sound generated.A finite element model of the CMUT is established in COMSOL software to facilitate the choice of appropriate structural parameters of the CMUT cell.The CMUT array is then fabricated by a wafer bonding process with high consistency.The performances of the CMUT are tested to verify the accuracy of the finite element analysis.By optimizing the component parameters of the bias-T circuit used for driving the CMUT,DC and AC voltages can be effectively applied to the top and bottom electrodes of the CMUT to provide efficient ultrasound transmission.Finally,the prepared hexagonal array is successfully used to conduct preliminary experiments on its application as an air parametric array.     

小型化线列阵研究

介绍了一种小型化线列阵,阵结构与常规线列阵最大的不同在于阵元间距小于四分之一波长。通过理论分析和仿真计算优化了各阵元的最佳权系数,获得了良好的指向性,得到了实验的证明。小型化线列阵的指向性图具有四大特点：①单向性：仅在半空间出现一个轴对称的主波束,无栅瓣和次瓣。②端射特性：主波束出现在线阵的轴射方向。③超指向性：在阵的尺寸远小于二分之一波长条件下不仅可以获得良好的指向性图,并且波束宽度随阵元间距的减小而减小。④恒定束宽特性：在阵元间距小于八分之一波长条件下,波束宽度随频率变化非常平缓。这种小型化基阵也可用于大型基阵如拖曳阵和展开式体积阵的子基阵,进行低频宽带信号的检测。     

基于四元十字阵的低频换能器指向性检测方法

针对大型低频换能器指向性难以测量的问题,提出了一种基于四元十字阵的测量方法以获取大型低频换能器的指向性。利用到达四元十字阵阵元的时延差信息,结合双曲面交汇法对换能器进行定位,并根据四元十字阵阵元测得的声信号实现大型低频换能器指向性的测量;对定位算法进行理论仿真,设计并进行了湖上试验以测量模拟声源的指向性;对湖上试验测量数据进行计算分析,并与模拟声源在消声水池中的测量结果进行比较,两者-3 dB波束开角的测量结果相差在10%以内。此方法可以用于低频换能器指向性的测量。     

Anisotropic Broadband Photoresponse of Layered Type‐II Weyl Semimetal MoTe2

Photodetectors based on Weyl semimetal promise extreme performance in terms of highly sensitive, broadband and self‐powered operation owing to its extraordinary material properties. Layered Type‐II Weyl semimetal that break Lorentz invariance can be further integrated with other two‐dimensional materials to form van der Waals heterostructures and realize multiple functionalities inheriting the advantages of other two‐dimensional materials. Herein, we report the realization of a broadband self‐powered photodetector based on Type‐II Weyl semimetal T_d‐MoTe₂. The prototype metal–MoTe₂–metal photodetector exhibits a responsivity of 0.40 mA W^?1 and specific directivity of 1.07 × 10⁸ Jones with 43 μs response time at 532 nm. Broadband responses from 532 nm to 10.6 μm are experimentally tested with a potential detection range extendable to far‐infrared and terahertz. Furthermore, we identify the response of the detector is polarization angle sensitive due to the anisotropic response of MoTe₂. The anisotropy is found to be wavelength dependent, and the degree of anisotropy increases as the excitation wavelength gets closer to the Weyl nodes. In addition, with power and temperature dependent photoresponse measurements, the photocurrent generation mechanisms are investigated. Our results suggest this emerging class of materials can be harnessed for broadband angle sensitive, self‐powered photodetection with decent responsivities.     

单向水听器及其在波束形成中的应用

提出常规反向波束形成技术,构建了单向水听器,并探讨其应用于阵列波束形成的可能性。系统地构建单向水听器模型,导出常规反向波束形成技术,证明得到其空间响应单指向性的存在条件,其指向性指数在3~4.8 d B范围内。以单向水听器为基元构建标准线列阵进行常规波束形成,并与全向水听器比较,理论证明了使用单向水听器能够为线列阵提高3~4.8 d B的指向性指数。仿真实验结果验证了单向水听器自身具有心脏形空间响应、3~4.8 d B的指向性指数和空间响应的宽带一致性等三种特性,使用单向水听器能够在主瓣宽度不变的同时降低旁瓣级、提高指向性指数、保持良好的稳健性。因此,提出的常规反向波束形成技术是一种构建单向水听器的有效方法,在阵列波束形成中使用单向水听器是可行的、有利的。     

密排平面阵辐射声场分析

研究了声场分布计算射线声学和波动声学的基本理论,用解析法和声有限元-边界元法计算了平面阵辐射声场的指向性和波束宽度,分析了指向性和波束宽度随频率变化的规律。在消声水池中对研制出的密排平面九元阵的指向性和波束宽度进行了实验测量。测量结果表明,采用阵元第一谐振频率半波长布阵时频带内互辐射对指向性影响较小,在声波频率较高时,两种算法的计算值和实测值基本吻合,并且比较了两种算法计算声场指向性的适应范围和优缺点。     

线列阵在密闭管中的自由场校准

由于拖曳线列阵很长，工作频率很低，用常规的自由场方法是很难对其进行校准的。本文提出了一种在密闭管中测量线阵的自由场复数灵敏度和指向性图的方法。已经开发了一个初型校准系统，系统的频率范围从２０Ｈｚ到６００Ｈｚ，管中所得的测量结果与理论曲线符合很好。因此，线列阵管中校准方法是一种在低频情况下校准线列阵的十分有效的方法。     

二阶镶拼圆管矢量接收换能器研究

文章介绍了一种二阶镶拼圆管矢量接收换能器的设计方法，获得了类偶极子指向性以及波束宽度更为锐化的类四极子指向性。利用理论计算以及有限元仿真分析了镶拼圆管的指向性以及接收灵敏度，并实际制作了二阶镶拼圆管矢量接收换能器。在消声水池的测试表明，灵敏度测试结果与有限元仿真计算结果吻合较好，镶拼圆管矢量接收换能器类偶极子指向性图-3 dB波束宽度在95°左右，类四极子指向性图-3 dB波束宽度在40°左右，二阶矢量指向性图波束宽度明显比一阶矢量指向性图波束宽度更加锐化。