CN103582912A - 用于相控阵声学系统的换能器 - Google Patents
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Abstract
一种换能器包括基座、喇叭状件以及中心元件。喇叭状件包括第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座延伸并且具有周界，该周界限定换能器的大体平坦的正面，喇叭状件限定在喇叭状件的第一端部和第二端部之间沿喇叭状件表面的喇叭状件长度。中心元件包括第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座沿喇叭状件的纵向轴线延伸，中心元件限定在中心元件的第一端部和第二端部之间沿中心元件表面的中心元件长度，中心元件长度与喇叭状件长度大体相等。
Description
背景技术
传统声雷达系统采用定向声波检测诸如风速之类的大气现象。通过将声束以多个方向引导到大气中，并且测量从大气中的紊流和温度变化返回的回波的多谱勒偏移，可准确地估计风速和其它大气现象。
当前使用的主要类型的声雷达系统是单站相控阵声雷达系统。单站声雷达发出声束，并且检测来自单个位置的声束反射。通过声换能器的阵列的使用，相控阵单站声雷达将波束定向在不同方向上，并且对于来自这些方向的回波是灵敏的。这些换能器构造成以不同相位组发射和接收，从而如希望的那样，对发射声束和灵敏度区域进行定向。
发明内容
在单站相控阵声雷达系统中使用的传统换能器的例子表明在图1A和1B中。换能器10包括喇叭组件105，该喇叭组件105经由诸如螺钉之类的紧固件联接到后部帽盖107。喇叭组件105的内表面S包括几何特征111，这些几何特征111构造成以最小方向式样分布由换能器发射的声。换能器10也包括在印刷电路板109上安装的连接器110，该连接器110构造成将换能器10电连接到与声雷达系统相关联的电子设备上。
然而，换能器（如在传统单站相控阵声雷达系统中使用的那些换能器）具有各种缺陷。在声雷达系统中使用的传统换能器已经典型地适于来自其它用途。在一种布置中，将喇叭型压电声频高频扬声器用作在声雷达系统中的换能器，并且在大约四至五千赫兹的频率下操作。然而，这些换能器具有对于它们在相控阵用途中的性能有害的多个特性。
为声频用途而优化的传统换能器设计成按大体非定向方式操作，以便影响声频扬声器系统，该声频扬声器系统可在最宽可能范围的位置中舒适地倾听。相反，相控阵声雷达系统典型地构造成在偏离与换能器阵列的平面相垂直的轴线达大约15度的方向上发射声。使换能器超越这个范围发射显著的能量没有好处，并且这样的发射事实上可通过影响在接近垂直于目标波束方向的角度处的寄生发射能量和接收灵敏度，而降低相控阵系统的性能。
另外，为声频用途而优化的传统换能器设计成具有在操作频率范围外的谐振频率，或者构造成具有高阻尼设计，该高阻尼设计在其谐振频率处具有弱波峰，以便在频率范围上用一致强度最忠实地再现音乐信号中存在的变化频率。相反，相控阵设备典型地旨在在相当窄范围的声频率或波长上操作。
此外，在传统换能器的正面上发射相位的测量表明，换能器在其正面上可具有相位的极端变化。到达传统换能器的表面上的变化位置的声的相位变化的原因，通过观察由到达这些变化位置的声能跟随的路径将是显然的。例如，图1C示出了传统换能器10的横截面。换能器10包括振动膜，该振动膜将大体封闭腔室划分成两个空腔。一个空腔116（位于后部侧）完全封闭，并且不会将声能发射到环境中。第二空腔108具有小开口，这些小开口通到喇叭状件105的狭窄端部中。从狭窄端部运动到换能器10的出口，喇叭状件空腔的横截面逐渐扩展到换能器正面的整个尺寸的开口。随着到达换能器10的敞开发射正面，普通几何形状由横截面面积的按指数规律增大而产生。横截面的这种逐渐增大会有效地耦合来自约束外罩的声能，其中，它产生到无约束自由空气环境。
到达换能器10的中心的声跟随从喇叭状件的狭窄端部到敞开正面F的中心的直线路径113。到达换能器喇叭状件的周界附近的声跟随显著较长路径112，该显著较长路径112近似跟随喇叭状件105的壁的曲线。声的速度在给定温度下在自由空气中是恒定的。因此，比波前到达喇叭状件的外周界附近显著快地，声的波前到达在喇叭状件的中心处的换能器的出口平面。由于声在两个路径上以相同速度传播，所以从换能器10发射的波前的相位在换能器10的发射平坦的正面F上将是显著不均匀的。
相反，当从阵列表面发射的声的相位关于沿阵列表面上的第一轴线测量的位置连续和线性地变化（该第一轴线是波束主发射轴线到在阵列表面处的平面上的投影）并且沿与这个第一轴线相垂直的轴线测量是均匀的时，相控阵设备最佳地操作。这种条件使在希望波束方向上的发射能量和接收灵敏度最大，并且使在不希望的方向上的发射能量和接收灵敏度最小。作为实际问题，对于可在多个不同波束方向上操作的相控阵系统，当来自相控阵中的各个换能器的每一个的声发射在该单独换能器的表面上发射最均匀可能的相位的声时，最好地接近这种条件。
与传统换能器相反，本发明的实施例涉及一种用于相控阵声学系统的换能器。在一种布置中，换能器包括中心部件，该中心部件布置成中断通到出口平面的中心的传统直线路径。喇叭状件的外形也构造成适应中心部件的几何形状。相应地，尽管换能器的敞开横截面面积保持是按指数规律的，而不是具有一系列外径增大的环形截面（如在传统换能器中发现的那样），但它包括一系列增大平均直径和增大总面积的环形截面，从而喇叭状件的敞开横截面面积按指数规律增大。因此，由行进到喇叭状件的周界的声传播的距离与由到达喇叭状件中心附近的声传播的距离大体相等。到达换能器喇叭状件的正面的声的波前的相位是大体一致的，这改进了相控阵设备的性能。
在一种布置中，换能器构造成具有在操作频率附近的谐振频率，以便比传统换能器提供在发射声方面的比较大效率和在声接收方面的比较高灵敏度。在一种布置中，中心部件由支撑结构支撑，该支撑结构不会显著地阻碍声穿过中心部件与喇叭状件的外部部分之间的环形截面的传播。在一种布置中，支撑结构构造成三辐条状元件，这些三辐条状元件薄得足以不显著地影响声传播。这些元件的目的是支撑中心部件，同时使对换能器的声学性能的影响最小。
在一种布置中，当阵列作为相控阵定向声接收器操作时，通过接收灵敏度的方向性和偏离轴线的伪接收的衰减的类似和对应改进，将使通过阵列的聚焦声束的发射匹配，该阵列装有以上所描述的换能器。
尽管换能器在声雷达设备的上下文中详细地描述，但应该注意，可以使用包括革新特征的类似、甚至相同的换能器，以便改进在其它用途中相控阵的性能，如在现有技术中已知的定向声频系统。
在一种布置中，换能器包括基座、喇叭状件以及中心部件。喇叭状件包括第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座延伸并且具有周界，该周界限定出换能器的大体平坦的正面，喇叭状件限定出在喇叭状件的第一端部和第二端部之间沿喇叭状件表面的喇叭状件长度。中心部件包括第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座沿喇叭状件的纵向轴线延伸，中心部件限定出在中心部件的第一端部和第二端部之间沿中心部件表面的中心部件长度。中心部件长度与喇叭状件长度大体相等。
附图说明
上述和其它目的、特征及优点由本发明的具体实施例的如下描述将是显然的，如在附图中示出的那样，在附图中，类似附图标记贯穿不同视图指相同部分。附图不必按比例，重点放在说明本发明的各个实施例的原理上。
图1A示出了在声雷达设备中使用的传统换能器的立体图。
图1B示出了图1A的换能器的侧视图。
图1C示出了图1A的换能器的侧视截面图。
图2A示出了声雷达设备的立体图，该声雷达设备具有换能器阵列。
图2B是图2A的声雷达设备的第二立体图。
图2C是图2A的声雷达设备的俯视图。
图2D是图2A的声雷达设备的截面侧视图。
图2E是图2A的声雷达设备的电子设备的示意图。
图2F是流程图，示出了用于声雷达设备的处理技术。
图3A示出了根据一种布置的换能器的立体图。
图3B示出了图3A的换能器的侧视图。
图3C示出了图3A的换能器的俯视图。
图3D示出了图3A的换能器的第一侧截面。
图3E示出了图3A的换能器的第二侧截面。
图3F示出了图3A的换能器的第三侧截面。
图4A示出了换能器阵列组件的视图，该换能器阵列组件使用传统换能器。
图4B示出了图4A的阵列的三个换能器的相交部分。
图4C示出了换能器阵列的视图，该换能器阵列使用在图3A中所示出的换能器。
图5A示出了根据一种布置的换能器的立体图。
图5B示出了图5A的换能器的侧视图。
图5C示出了图5A的换能器的俯视图。
图5D示出了图5A的换能器的第一侧截面。
图5E示出了图5A的换能器的第二侧截面。
图6是声的相位变化的、来自实验测量数据的曲线图，该声到达图1A的换能器的喇叭状件的正面。
图7是声的大体均匀相位的曲线图，该声到达图3A的换能器的喇叭状件的正面。
图8A是对于图1A的换能器作为偏离喇叭状件轴线的角度的函数的声强度的变化的、来自实验测量数据的曲线图。
图8B是对于图3A的单个换能器作为偏离喇叭状件轴线的角度的函数的声强度的变化的类似曲线图。
图8C是对于图1A的换能器作为操作频率的函数的声强度的、来自实验测量数据的曲线图。
图8D是对于图3A的单个换能器的类似曲线图。
图9A是信号强度相对于用于阵列的发射角的、基于理论建模的曲线图，该阵列由图1A的换能器组成。
图9B是信号强度相对于用于阵列的发射角的、基于理论建模的曲线图，该阵列由图3A的换能器组成。
图10A是来自实验测量数据的曲线图，示出了对于由图1A的换能器组成的阵列，信号强度相对于用于波束的主要部分的位置的等高线图。
图10B是类似曲线图，示出了对于由图3A的换能器组成的阵列，信号强度相对于用于波束的主要部分的位置的等高线图。
图11A是来自实验测量数据的曲线图，示出了对于由图1A的换能器组成的阵列的偏离-轴线或侧-瓣发射，信号强度相对于位置的等高线图。
图11B是类似曲线图，示出了对于由图3A的换能器组成的阵列的偏离-轴线发射，信号强度相对于位置的等高线图。
图12A是对于在典型测量地点处使用图1A的换能器的声雷达设备，百分比数据捕获相对于高度的曲线图。
图12B是对于在相同地点和相同时间段处使用图3A的换能器的声雷达设备的相同信息。
图12C是对于图12A和12B的数据集，用于图3A的换能器的数据捕获相对于高度的百分比增长。
具体实施方式
换能器包括喇叭状件和中心部件，该中心部件构造成中断从换能器中心到出口平面的声路径。喇叭状件的外形也构造成适应中心部件的几何形状。相应地，当换能器的敞开横截面面积保持是按指数规律的时，它包括一系列增大平均直径和增大总面积的环形截面，从而喇叭状件的敞开横截面面积按指数规律增大。因此，由行进到喇叭状件的周界的声传播的距离与由到达喇叭状件中心附近的声传播的距离大体相等。到达换能器喇叭状件的正面的波前的相位是大体均匀的，这改进了相控阵设备的性能。
图2A至2D示出了相控阵单站声雷达设备200的布置，该相控阵单站声雷达设备200具有由各个声学换能器204构成的阵列202。换能器10布置成与电子和数据处理系统205电通信，该电子和数据处理系统205构造成驱动换能器204以在大致水平方向上发射相控阵声束206，如在图2D中所示。这些声束206撞击在固体光滑表面上，该固体光滑表面称为声反射镜或反射镜208，该声反射镜或反射镜208使声束206大致向上反射，作为反射声束210。
反射声束210撞击在上方大气中的紊流和温度变化上。来自这些声束的声能的一些沿相同路径反射回，作为外出声束210和206，这些外出声束210和206返回到相控阵202中的换能器204，在该处它们由电子包205的接收部件检测。这些部件205安装在外壳212中，该外壳212支撑各个部件，并且该外壳212也可以用来阻止来自不希望的方向的杂散声发射和接收。
为了使声雷达设备200在有降水的情况下测量风速和风向，外壳构造成保护换能器204的阵列202免于任何降水，该降水可能永久地损害换能器204或临时干扰它们的操作。应该注意，以上描述的布置仅作为例子而提供，在该布置中，阵列202由外壳212保护免于收到各个要素，并且在该外壳212中，反射镜208用来反射来自大致水平路径206的声束，这些声束从阵列发射到该大致水平路径206中、进入大致竖向路径210中。阵列202可按各种方式保护免受由降水造成的损坏。
阵列100中的换能器204在发射模式中由电子包205驱动，并且在接收模式中由电子包205检测和评估。图2E示出了在一种布置中电子包205的示意代表。在操作期间，电子包205交替地作为发射机和接收机而操作。例如，在初始阶段中，电子包205构造成将声信号发射到空气中，并且在紧在第一阶段之后的第二阶段中，电子包205构造成接收、分析及记录进入信号，特别是从环境反射回的发射信号的回波。
在图2E中示出的电子包205的部件包括硬件和软件元件，这些硬件和软件元件的功能可按各种方式实施。例如，元件可构造成物理电子硬件、控制器和/或信号处理计算机，该电子硬件、控制器和/或信号处理计算机构造成进行信号发射以及接收、或两者的组合。
在一种布置中，控制部件221（如处理器和存储器）配置开关，如多极开关或切换网络224，以将阵列202的换能器204通过发射放大器223连接到信号源222。信号源222为换能器204的每一个提供适当相控的信号，以使阵列202在特别是大致向上方向上发射聚焦声束210（图2D）。紧在这种发射之后，控制部件221配置切换网络224，以将阵列202的换能器204通过接收放大器225连接到信号转换和分析部件226。这种接收模式构造使用相控阵技术设置，以使在与发射声束210（图2D）的方向相同的方向上的灵敏度最大。信号转换器和分析器226分析返回回波的频谱性质，以便估计在设备200上方在各个高度处的大气性质，如下面将进一步描述的那样。在分析接收数据之后，电子包205可使用存储元件227存储信息，并且/或者使用报告部件228为用户传输、报告、或显示接收的数据。
设备200主要对于沿声束路径210的空气速度是灵敏的。没有用来沿单个声束方向由回波估计水平风速或风向的直接方法。相应地，控制部件221可构造成顺次地调整声束210的发射方向和对于返回回波最大灵敏度的方向。至少三个声束方向用来解出水平风速、水平风向以及竖向风速。
在其中使用换能器204的示例性设备200中，设备200发射三个声束，这三个声束在由120度方位角分离的三个方向上以约11度从竖向基准207（图2D）倾斜。在一种布置中，技术可例如没有限制地应用于其它声雷达设备，在该声雷达设备中，将单个声束更准确地竖向发射，并且在该声雷达设备中，第二和第三声束方向以约15度从竖向基准倾斜，并且以大约90度的方位角彼此分离。
通过在三个不同方向上发射声束，并且在三个不同方向上估计径向速度，可应用向量分析技术，以抽取水平风速和风向。也可能的是，在多于三个方向上发射声束，第四和更高编号的声束方向提供冗余信息，该冗余信息可用来检查和改进风速估计的精度，尽管由在仅三个声束方向上拍摄大量照片（即，照片是声发射和返回声数据的取样）的较简单手段可得到显著的类似好处。
来自任何单独照片的数据可能污染有噪声，并且在感兴趣的任何特定高度处，没有如下保证：感兴趣的信号相对于噪声将具有足够的强度从而是有用的，或者的确完全被检测到。相应地，传统声雷达设备一般不基于单组三个照片报告近-即刻的状态，该单组三个照片可在大致五秒内完成。而是，声雷达设备典型地基于在至少三个方向的每一个上多个照片的平均值而报告大气状态。例如，数据可以在十分钟间隔上平均，该十分钟间隔包括在三个方向的每一个上的大约一百个照片。
图2F是流程图300，该流程图300示出了用于以上所描述的声雷达设备200的示例性处理技术。声雷达数据例如在方块或十分钟的持续时间中处理（302）。在这个时段期间，在三个声束方向的每一个上重复拍摄（304）。如以上描述的那样，对于每个方向，发射定向声脉冲或声束210（306），并且随后设备200构造成记录来自环境的回波、或声反射（308）。
声束210行进到特定高度的时间、以及任何回波从该高度返回到设备的行进时间，取决于高度和声速。相应地，如在方块310处表示的那样，返回信号可分解或窗口取样成与在设备200上方的不同高度处的大气状态相关联的各段。
随后，对于每个窗口取样段312，声雷达设备200将快速傅里叶变换应用于这个窗口取样数据（314），以将时序信号转换到频域中，从而可测量返回信号的多谱勒偏移。因为对于在这样的转换领域中的技术人员已知的原因，相比于如果将突然或“boxcar（矩形函数）”窗口取样应用于数据的情形，如果将某种形式的渐变窗口取样（例如海明窗，Hamming Window）应用于数据将得到更准确的频谱，而没有窗口取样过程的人工产物。
对于在特定高程处的单独拍摄的生成频谱的特性可概括为多谱勒频移、信号水平以及信噪比（SNR）。对于本领域的技术人员已知的技术可用来消除从固定目标返回的多谱勒偏移回波的影响（316）。在每个高程处对于每个声束方向，可计算多谱勒偏移，如在方块318、320中表示的那样。
最后，在已经过去十分钟之后，可计算在每个高程处用于每个声束方向的平均多谱勒偏移。使用传统技术，基于信号强度、噪声强度以及SNR可以在平均值中将对于在特定平均值中使用的各个照片的各个频移加权（方块322）。使用传统计算方法，平均频移可用来计算水平风速、风向以及竖向风速（方块324）。
依据大气状态、要发声的大气的吸收性和反射性以及干扰噪声源的存在（这些干扰噪声源如蟋蟀、其它昆虫、鸟以及人造噪声源），可以足够清晰地接收待分析的更多或更少量的样本。随着从特定高度接收的可靠样本的数量下降，将到达这样的程度：数据的置信度不再足以提供在该高度处的风速的可靠估计。
对于声雷达设备200的另一个重要干扰源是在远离目标轴线的方向上的声波发射，这种声波可以反射离开地面上的物体，并且返回到设备。由于相控阵过程的性质，也发射与目标主声束大致垂直定向的“侧瓣”或声束。设备200在这些接近水平方向上发射少得多的声波，并且对于来自这些方向的接收声波较不敏感。然而，相对于要反射声波的大气紊流的能力，固体物体反射声波的比较好能力常常抵消这个好处，由此导致来自地面上的静止物体的接收返回，这些接收返回与感兴趣信号相比可能比较强。
尽管来自地面上的物体的这样的‘固定回波’返回通常回来而没有多谱勒偏移（其允许识别它们的性质），但不是始终可以在有较强固定回波返回的情况下从大气提取多谱勒偏移信息。既由于真实物理现象又由于频率测量过程的数学限制，来自大气和来自固定物体的返回频谱都将显得扩展成在频域中的高斯曲线，而不是作为尖锐波峰显现。尽管有在2010年3月5日提交的、标题为“Method Of Detecting AndCompensating For Precipitation In Sodar Systems”的共同待决申请12/748,141中公开的那些之类的技术（该申请的内部通过参引全部包括在这里），但可能到达这样的程度：其中，感兴趣信号的小波峰丢失在大得多的固定回波波峰的尾部中。
来自换能器阵列202的离轴‘侧瓣’发射也可按复杂方式传播，反射离开声雷达设备200的内部表面，并且或许也离开在设备附近在地面上的固体物体。这种能量的一些可能分散到大气中，从运动空气反射，并返回由设备检测为多谱勒偏移信号。在一些情况下，这种能量可能跟随足够靠近主声束210的路径，从而电子包205将伪返回信号的频谱与主返回信号的频谱相结合，而将误差、或偏差引入到主返回信号中，其可能未检测出。
应该注意，增大在主声束的目标方向上的发射声的绝对音量的任何手段，都将使来自大气的返回信号相对于不是由声雷达设备200本身产生的生物和人造噪声源更强。也应该注意，如以上讨论的那样，通过减小这样的离轴发射的影响，相对于在不希望离轴或‘侧瓣’方向上的音量而增大在目标主声束方向上的声束的音量的任何手段，也将改进设备的性能。
如以上示出的那样，声雷达设备200包括阵列200，该阵列200具有一组各个换能器204。在一种布置中，换能器204的细节提供在图3A至3F中。例如，如在图3A至3F中示出的那样，换能器204包括基座240、喇叭状件242以及中心元件244，该喇叭状件242联接到基座240，该中心元件244联接到喇叭状件242。
基座240在一种布置中包括电子部件，这些电子部件构造成与声雷达设备200的电子包205交换信号。例如，参照图3D，基座240可包括压电双晶片结构246，该压电双晶片结构246构造成响应接收的电信号而振动，其离开静止状态的变形与施加到其两根柔性电引线248上的电压成比例。引线248在一种布置中布置成经由连接器252与电子包205电通信，该连接器252安装在对应印刷电路板254上，该对应印刷电路板254与基座240相关联。双晶片结构246可如由粘合剂固定到锥形换能器膜250的顶点。这个锥形换能器膜250绕其周界夹持在夹持表面253与夹持表面255之间，该夹持表面253与喇叭状件242相关联，该夹持表面255位于基座240的后部帽盖256上。
换能器204的操作频率与弹簧质量系统的惯性时间常数相比比较高，该弹簧质量系统包括双晶片结构246的质量、响应锥形膜250的轴向挠曲的弹性。相应地，双晶片结构246的振动耦合到锥形换能器膜250的锥形表面中。膜250的振动又将压力变化诱导到喇叭状件242的后表面与膜250的前正面之间的空腔260内的空气中。
喇叭状件242构造成使空腔260中的声压力的声源阻抗与换能器204外面的自由空气的较低阻抗相匹配。喇叭状件242也构造成将发射声引导成沿所需方向，如在图3F中表示的那样。例如，参照图3E，喇叭状件242包括第一端部262和第二端部264，该第一端部262联接到基座240，该第二端部264从基座240延伸并且具有周界266，该周界266限定出换能器204的大体平坦的正面。喇叭状件242也限定出沿喇叭状件242的第一端部262和周界266之间的喇叭状件表面的喇叭状件长度268。在一种布置中，喇叭状件242包括支撑构件267，该支撑构件267从喇叭状件242的第二端部264绕喇叭状件的周界266向基座240延伸。
中心元件244也构造成将发射的声从空腔260沿所需方向引导，如在图3F中表示的那样。参照图3E，中心元件244包括第一端部270和第二端部272，该第一端部270联接到基座240上，该第二端部272从基座240沿喇叭状件242的纵向轴线272延伸。中心元件244限定出中心元件长度276，该中心元件长度276沿中心元件244的第一端部270和第二端部272之间的中心元件表面延伸。在一种布置中，中心元件244由一组辐条支撑结构245支撑，如由三个辐条245构成的组支撑。辐条245在中心元件244与喇叭状件242之间延伸，并且大体不干扰由声跟随的路径，该声由换能器204产生或接收。形成辐条支撑结构245的材料可从各种材料中选择。
如下面将描述的那样，喇叭状件242的大小和形状、中心元件244的大小和形状以及在喇叭状件与中心元件244之间限定的空腔280的大小和形状相对于相控阵操作的要求而优化，并且构造成提供波前，该波前在换能器204的大体平坦的正面处具有大体均匀的相位。
例如，喇叭状件242构造成具有约3.5英寸的高度282。与如在图1A至1C中示出的传统换能器中发现的约2.25英寸的比较短的喇叭状件长度相比，这种比较长的喇叭状件高度282使得声以更加单向的方向式样从换能器204发射。
在另一个例子中，中心元件长度276构造成与喇叭状件长度268大体相等。例如，参照图3E，喇叭状件长度268是约
英寸，并且中心元件长度276在约
英寸与
英寸之间。在中心元件长度276与喇叭状件长度268大体相等的情况下，将换能器204构造成使在换能器204的平坦的发射正面上的各个点处到达的声的相位的变化最小。
例如，图3F示出了换能器204的横截面。从换能器204的平坦的正面285的周界266发射的声跟随喇叭状件内表面268，如由路径虚线290表示的那样，并且从换能器204的中心区域发射的声跟随外表面中心元件长度276，如由路径虚线292表示的那样。因为沿表面268的长度构造成与沿中心元件244的表面的长度276大体相等，所以喇叭状件长度268的路径290与中心元件长度276的路径292大体相等。因此，与传统换能器10相比，从换能器204的整个正面285发射的波前的相位在换能器204的发射平坦的正面上将是大体均匀的（例如，从换能器204的周缘266发射的声具有与在换能器204的中心部分附近发射的声相同的相位角）。例如，图6示出了在换能器10的阵列上方2英寸取得的相位测量。在这种构造中的最小相位是-20度，并且最大相位是+86度，从而形成106度的最大相位差。图7示出了在换能器204的阵列上方2英寸取得的相位测量。在这种构造中的最小相位是-30度，并且最大相位是+22度，从而构成仅52度的较小的最大相位差。
在一种布置中，喇叭状件242的形状和中心元件244的形状构造成使在与换能器204的轴线274大致相平行的方向上的声发射最大，并且使在沿其它、非轴向方向的声发射最小。例如，如在图3E中示出的那样，喇叭状件242相对于纵向轴线274限定S形或S状几何形状，因为喇叭状件242从换能器204的中心部分到周缘266向外以锥形渐变。在另一个例子中，中心元件244构造成具有大体锥形的第一端部270、大体锥形的第二端部272以及中间段275，该中间段275具有比第一端部20或第二端部272大的直径。关于喇叭状件242和中心元件244的这样一种几何构造，腔室280的横截面面积（如在喇叭状件242与中心元件244之间限定的那样）从基座240到周缘266按指数规律增大，以使换能器204的效率最大。
对于诸如其中相控阵在单个频率、或狭窄频率范围下正在操作的声雷达之类的用途，换能器的以及作为整体的设备的效率可通过将换能器的谐振或自然频率设置到操作频率附近而最大化。传统换能器（如对于声频音响设备优化的换能器）设计成具有在感兴趣的频率范围以上的操作频率。这导致在全部操作频率下较低、但相当均匀的效率，这最忠实地再现在宽频率范围上出现的信号，如音乐。
参照图3E，空腔260的体积可影响在声雷达设备200中所使用的换能器204的谐振频率。在一种布置中，中心元件244构造成调整空腔260的体积，从而换能器204的谐振频率与声雷达设备200的近似操作频率大体匹配。例如，中心部分244的第二端部270限定大体V形横截面，该大体V形横截面相对于基座240具有大体平的中心部分基座294。借助于这样一种构造，中心部分244将空腔260的体积增大到约0.19立方英寸的体积，该体积比传统声学换能器的体积（例如，约0.03立方英寸的传统体积）大。相应地，V形横截面和平的中心部分基座294使在声雷达设备200的操作频率附近的频率下换能器204的效率最大。例如，喇叭状件242、中心部分244以及空气空腔260一起构造成在约4,625Hertz的谐振频率下振动，该空气空腔260由第二端部270、喇叭状件242进口的进口以及锥形膜250所限定，该谐振频率与声雷达设备200的近似4,500Hertz的操作频率大体相等。
在一种布置中，中心元件244的几何形状可变化，以提高换能器204的操作特性。例如，在一种布置中并且参照图3B和3D，中心元件244包括延伸部分296，该延伸部分296布置在中心元件244的第二端部272处，在该处，延伸部分296超越喇叭状件242的周界266延伸。在一种布置中，延伸部分296超越喇叭状件242的周界266延伸约0.375英寸的距离297。借助于这样一种构造，中心元件244将由换能器204提供的波形的振幅增大约0.42dB，并且将由换能器204提供的波形的离轴振幅减小约3.6dB。尽管延伸部分296可按各种方式构造，但在一种布置中，延伸部分构造成具有大体钝头的D形横截面。
返回图3A，在一种布置中，换能器204的起作用的发射正面285的周界266的形状构造成在操作期间使关联阵列202的起作用的发射面积最大。在一种布置中，喇叭状件242的周界266构造成连续系列的大体直线段298。例如，喇叭状件242的周界266可限定大体六边形形状，如示出的那样，或者可限定大体三角形、矩形、或正方形形状。当布置为阵列202的部分时，换能器204使从阵列202的表面发射的声的间断最少，这些间断由相对于各个换能器204在阵列202内的空隙区域所引起。
例如，图2A示出了传统换能器10的阵列100。尽管换能器10的物理周界是六边形的，并且以很小间隙拼接，但换能器10的起作用的发射平坦的正面是圆形形状，内接在拼接六边形内。因此，有多个大致三角形非起作用的区域116，在该处起作用的区域相交，如在图4B中详细示出的那样。
相反，图4C示出了换能器204的阵列202，其中，换能器204以紧密填实几何形状排列，如换能器的六边形排列具有六边形周界266。换能器204的起作用的发射平坦的正面基本上拼接成使得没有任何间隙布置在相邻换能器204之间（即，存在间隙是为组装硬件提供的小孔，该组装硬件将换能器204紧固到用于阵列202的支撑结构中）。通过消除在阵列204中的非起作用的区域，使通过阵列203的不希望的离轴能量的发射最小。相应地，发射声束沿所需的轴线将相对更强，并且将使在其它方向上的不希望的伪发射最小。
如上所述的那样，中心元件由三根辐条245支撑。这样的描述仅作为例子。可使用任何数量的辐条245。例如，图5A、5B、5C以及5D示出了换能器204的另一种布置，其中，使用四根辐条245。将显然的是，可使用其它数量的辐条，包括仅一根比较重的辐条。对于另一个例子，如图5E所示，中心元件244可由穿孔薄板元件298支撑。在一种布置中，在薄板298中的穿孔是足够的，从而对于声的传播不引入显著障碍，并且薄板298的厚度和材料强度足以适当地支撑中心元件244。
如下提供实验数据的描述，该描述相对于在图1A至1C中所示出的传统换能器10的操作来比较和对比换能器204的操作。
图6示出了实验数据，这些实验数据示出了从传统换能器10的平坦的发射正面发射的声的相位。在试验下的换能器组装成在小阵列中的中心换能器，该小阵列包括七个换能器。在图中的虚线圆圈120表示在阵列100中七个换能器10的位置。在这个阵列100中的全部换能器10都用均匀相位的单试验信号驱动。实验的目的是测量单个中心扬声器的相位。然而，单个换能器10在其发射正面的各个位置上测量的声发射特性由相邻发射换能器10的存在而显著地影响。
图7示出了实验数据，这些实验数据示出了从换能器204的平坦的发射正面发射的声的相位。注意，尽管换能器204的起作用的区域的周界包括一系列大体直线段（例如，换能器204限定例如六边形形状），但它在图7中示出为圆形，仅用于与图6直接比较。
由在图6和7中示出的数据显然的是，从换能器204发射的声的相位显著地比传统换能器10的均匀。对于传统换能器10，相位测量从-20度的最小值到+86度的最大值而变化。从在由传统换能器10占据的阵列中的六边形区域的各个部分所发射的声的相位在106度的范围上变化。对于换能器204，相位测量从-30度的最小值到+22度的最大值而变化。在该相位范围的这种情况下，变化较小，是52度。在换能器204上的测量的主要部分落在较小范围中。
图8A示出了来自传统换能器10的实验测量数据，示出了作为偏离换能器的中心线轴线的角度的函数而发射的声的强度。将数据标准化到在换能器10的中心线轴线处的1.0的强度。
图8B示出了对于换能器204的类似实验测量数据。
如以上讨论的那样，在希望的主瓣声发射与不希望的侧瓣发射之间的高比值对于相控阵系统的性能是重要的。在希望的和不希望的方向上来自阵列100的发射受到来自阵列100内的各个换能器10的发射的强度的直接影响。来自传统换能器10的侧瓣发射比在轴线上所需方向上的强度安静大约19dB。换能器204的侧瓣发射比在所需方向上的强度安静大约26dB。因此，单独因为这个原因，并且不考虑由换能器204的其它修改特性得到的另外改进，由换能器204建造的阵列的主瓣强度和侧瓣强度之间的比值将比对于使用传统换能器10建造的阵列100的同一比值好大致两倍。
图8C示出了对于均匀振幅和变化频率的电输入信号，传统换能器10的实验测量的声强度的曲线图。声的强度是按来自试验麦克风的电压输出的任意单位。在所需的操作频率下，传统换能器10具有大约0.75麦克风输出伏特的声强度。
图8D示出了对于换能器204的强度的类似曲线图，该换能器204由变化频率的同一均匀振幅电信号驱动，并且使用同一麦克风系统测量声输出。在所需的操作频率下，换能器204具有大约1.6麦克风输出伏特的声强度。
对于在约4,500Hz的所需的频率下输入到换能器的给定输入电压，换能器204比传统换能器10响亮大约6.5dB。
图9A示出了使用传统换能器10、作为偏离相控阵100的中心线的角的函数的声强度的理论预测。在这个图中，目标声束角是11度，并且几个单独换能器10的理论模型的相控被调整，从而产生以这个希望11度角发射的主声束121。在这个模型中，来自各个换能器10的每一个的声发射被建模为点源，该源的发射图案示出在图8B中。这个模型是具有换能器10的阵列的合理近似，这些换能器10不具有均匀发射相位，并且这些换能器10不会在没有如图4B所示的三角形非起作用的区域116的情况下拼接成相控阵100。在这个模型中，在偏偏离轴线约九十度处不希望的侧瓣122的强度比希望的主声束的强度安静大约14dB。
图9B示出了理论预测，其中，将来自换能器204的每一个的声发射建模成在换能器的起作用的区域上散布的多个点源。用来产生图9B数据的模型在其它方面与用来产生在图9A中示出的数据的模型相同。在图9B中使用的替代模型提供由换能器204建造的阵列的合理近似，这些换能器204具有优选实施例换能器的相位均匀性和优良拼接配合性能。在这个模型中，不希望的侧瓣322的强度比希望的主声束321的强度安静大约22dB。这种较低侧瓣强度比在图9A中示出的侧瓣强度好2.33的因数。
图10A示出了由传统换能器10建造的阵列100的主声束发射图案的曲线图，这些传统换能器10安装到完整声雷达设备中，该完整声雷达设备包括外壳。这个发射图案使用实验设备测量，并且由实验计算机控制，该实验设备包括麦克风阵列，这些麦克风安装在声雷达设备上方的可运动结构上，该实验计算机对于在声雷达设备上方的多个不同点收集信号强度数据。这种数据然后被后处理，从而产生示出的曲线图，其中，曲线123代表相对于位置的相等信号强度的等值线。在这些曲线中的锯齿段和缺口125是由在数据收集和后处理技术中的不完美生成的人造产物，并且不表示设备的真实性能特性。与几条曲线123的每一条对准的印刷数字表示按任意单位的信号的强度。由这种数据，显然的是，希望的主声束121的中心部分具有按任意单位大约30的强度。
图10B示出了其中使用换能器204的类似曲线图，声雷达设备200和实验方法在其它方面大体相同。在这种数据中，显然的是，希望主声束321具有以任意单位大约75的强度。这构成从换能器10到换能器204的8dB增大。
图11A示出了对于传统换能器10的阵列，不希望的侧瓣122的类似等高线图。外罩200可构造成使不希望的侧瓣声束122衰减。为了将换能器204的影响与外罩200的影响区分开，在没有围绕换能器阵列的外罩200的情况下进行关于侧瓣声束122的测量。对于这个阵列，使用传统换能器10，侧瓣声束122的强度按任意单位是大约10。这比对于使用如图10A所示的传统换能器的阵列的主声束121安静大约9.6dB。
图11B示出了与在图11A中示出的数据相似的数据，唯一差别是，阵列202使用换能器204而组装。在这种情况下，不希望的侧瓣声束322的强度按任意单位是大约16。这个声束的强度按绝对值比由如图11A所示的传统换能器产生的声束大，但这个较大强度归因于换能器204的整体较大强度。对于使用在图10B中表示的换能器204的阵列，这个侧瓣声束322的强度比主瓣声束121安静大约13.5dB。为了声雷达设备的目的，主声束121与侧瓣声束122的比值是重要的，而不是侧瓣声束的绝对强度。按这种标准测量，使用换能器204的侧瓣322比来自传统换能器10的侧瓣122相对弱大约1.57倍。
在全部以上讨论中，并且在图6至12中呈现的数据中，已经讨论了作为扬声器（就是说作为将电输入转换成声输出的装置）的换能器204的布置的性能。对于在声学换能器领域中的技术人员将显然的是，换能器204当作为麦克风（就是说作为将声输入转换成电输出的装置）操作时，在效率、方向性以及相位均匀性方面可具有相对于传统换能器10的类似改进性能。对于本领域的技术人员进一步显然的是，当作为麦克风接收阵列操作时对于使用换能器204的相控阵列的操作的改进，将与当作为扬声器发射阵列操作时以上详细描述的好处相类似，并且这两个好处可结合而形成甚至更大的整体好处。
图12A示出了对于在现场试验地点处操作的、使用传统换能器10的声雷达设备，相对于高度的百分比数据捕获。图12B示出了对于在同一地点处操作的、使用换能器204而其它相同的声雷达设备200的相同数据。可能难以使两个声雷达设备在同一地点处同时操作，因为来自一个设备的声将干扰另一个的操作。但声雷达设备的性能高度依赖于在其中它正在操作的时间和地方的声学和大气状态。为了进行有效比较，将单元构造成具有换能器204的设备操作两分钟，接着具有传统换能器10的设备操作两分钟，每个单元轮流操作，直到得到统计有意义数量的样本。
图12C示出了在较低高度处两个设备的性能大体相似。两个设备高达100米的高度都捕获超过95%的数据。在更高高度处，换能器204表现得一致地和显著地好于传统换能器10。例如，就在高度120至160米处的性能而论，换能器204的设备进行高于90%数据捕获，而传统换能器的设备不能实现。在这些高度处高于90%数据捕获的性能对于风资源估计中的用途是重要的（该设备设计成用于该风资源估计），因为这些高度覆盖大多数风力涡轮机的整个扫过区域。
尽管已经具体地示出和描述了本发明的各个实施例，但本领域的技术人员将理解，其中可以进行形式和细节的各种变化，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的精神和范围由所附的权利要求书所限定。
例如，如以上示出的那样，换能器204用作声雷达设备的一部分。这样的表示仅作为例子。在一种布置中，换能器可用在其它阵列中、其它外壳中、其它声雷达系统中以及除声雷达之外的用途中。
Claims (21)
1.一种换能器，包括：
基座；
喇叭状件，所述喇叭状件具有第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座延伸并且具有周界，该周界限定出换能器的大体平坦的正面，喇叭状件限定出在喇叭状件的第一端部和第二端部之间沿喇叭状件表面的喇叭状件长度；以及
中心元件，所述中心元件具有第一端部和第二端部，所述中心元件的第一端部联接到喇叭状件，所述中心元件的第二端部从基座沿喇叭状件的纵向轴线延伸，该中心元件限定出在中心元件的第一端部和第二端部之间沿中心元件表面的中心元件长度，中心元件长度与喇叭状件长度大体相等。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中，喇叭状件长度和中心元件长度构造成在换能器的大体平坦的正面处提供具有大体均匀相位的波前。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中：
喇叭状件长度在约3英寸到4英寸之间；并且
中心元件长度在约
英寸到
英寸之间。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中，喇叭状件在喇叭状件的第一端部与第二端部之间限定约3.5英寸的高度。
5.根据权利要求1所述的换能器，其中，中心元件还包括延伸部分，该延伸部分设置在中心元件的第二端部处，延伸部分超越喇叭状件的周界延伸。
6.根据权利要求5所述的换能器，其中，延伸部分限定大体D形横截面。
7.根据权利要求1所述的换能器，其中，中心部分的第二端部限定大体V形横截面，该大体V形横截面相对于基座具有大体平的中心部分基座。
8.根据权利要求7所述的换能器，其中，喇叭状件和中心部分构造成使得换能器具有约4.5千赫兹的谐振频率。
9.根据权利要求1所述的换能器，其中，喇叭状件的周界构造成一系列连续的大体直线段。
10.根据权利要求9所述的换能器，其中，喇叭状件的周界限定出大体六边形形状。
11.根据权利要求9所述的换能器，其中，喇叭状件的周界限定出大体矩形形状。
12.一种声雷达设备，包括：
外壳；
一组换能器，所述一组换能器由外壳承载，所述一组换能器中的至少一个换能器包括：
基座；
喇叭状件，所述喇叭状件具有第一端部和第二端部，该第一端部联接到基座，该第二端部从基座延伸并且具有周界，该周界限定出换能器的大体平坦的正面，喇叭状件限定出在喇叭状件的第一端部和第二端部之间沿喇叭状件表面的喇叭状件长度；以及
中心元件，所述中心元件具有第一端部和第二端部，所述中心元件的第一端部联接到喇叭状件，所述中心元件的第二端部从基座沿喇叭状件的纵向轴线延伸，中心元件限定出在中心元件的第一端部和第二端部之间沿中心元件表面的中心元件长度，中心元件长度与喇叭状件长度大体相等。
13.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中，喇叭状件长度和中心元件长度构造成提供在换能器的大体平坦的正面处具有大体均匀相位的波前。
14.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中：
喇叭状件长度在约3英寸到4英寸之间；并且
中心元件长度在约
英寸到
英寸之间。
15.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中，喇叭状件在喇叭状件的第一端部与第二端部之间限定约3.5英寸的高度。
16.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中，中心元件还包括延伸部分，该延伸部分设置在中心元件的第二端部处，延伸部分超越喇叭状件的周界延伸。
17.根据权利要求16所述的声雷达设备，其中，延伸部分限定大体D形横截面。
18.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中，中心部分的第二端部限定大体V形横截面，该大体V形横截面相对于基座具有大体平的中心部分基座。
19.根据权利要求18所述的声雷达设备，其中，喇叭状件和中心部分构造成使得换能器具有约4.5千赫兹的谐振频率。
20.根据权利要求12所述的声雷达设备，其中，喇叭状件的周界构造成一系列连续的大体直线段。
21.根据权利要求1所述的换能器，其中，在中心元件与喇叭状件之间限定的腔室的横截面面积从第一端部到第二端部按指数规律地增大。
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