CN103968935B - 声聚焦传感器的制作方法和声聚焦传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声聚焦传感器的制作方法，包括：根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率计算中心角；根据所述预设的开口半径及所述中心角，计算所述聚焦抛物面的焦距；制作声聚焦传感器，其中，所述声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上。本发明还提供一种声聚焦传感器，能快速地确定声聚焦传感器的大小形状，利用该聚焦传感器中反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

Description

声聚焦传感器的制作方法和声聚焦传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种声聚焦传感器的制作方法，以及一种声聚焦传感器。

背景技术

在污秽绝缘子电气绝缘强度在线监测装置，声传感器是污秽放电声发射信号采集的核心元件，其性能的优劣直接关系到污秽放电声发射信号原始波形保真度。性能良好的声传感器能不失真的将声发射信号转换成电信号，可为正确识别绝缘子污秽放电模式奠定良好的基础。反之，将直接影响绝缘子污秽放电检测的效果。此外，在线监测装置声传感器安装在输电线路的杆塔上，刮风下雨，太阳暴晒，处于高温高湿的恶劣运行环境，因此，声传感器的制作必须要考虑上述各种因素的影响。

声音是一种波，是空气分子的振动。声传感器的作用是将声音信号转换成为电流或电压信号，即将声信号转换为电信号而便于处理。污秽绝缘子放电声发射信号具有突发性和微弱性，因此，亟需能有敏感度较高的、声压增益、速度增益、声强增益较好的声传感器。

发明内容

基于此，本发明提供一种声聚焦传感器的制作方法和一种声聚焦传感器，能快速地确定声聚焦传感器的大小形状，该聚焦传感器中反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

一种声聚焦传感器的制作方法，包括如下步骤：

根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率，利用下式计算所述聚焦抛物面的中心角：

其中，α_m为所述中心角，D为所述开口半径，f为所述入射声波的频率，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12；

根据所述预设的开口半径及所述中心角，利用下式计算所述聚焦抛物面的焦距：

其中，F为所述焦距，c为声速；

根据所述聚焦抛物面的焦距，制作声聚焦传感器，其中，所述声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上。

一种声聚焦传感器，包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2；

其中，

F为所述聚焦抛物面的焦距，c为声速，α_m为所述聚焦抛物面的中心角，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12，f为所述预设的入射声波的频率；

所述中心角通过下式计算得到：

其中，D为预设的聚焦抛物面的开口半径。

上述一种声聚焦传感器的制作方法和一种声聚焦传感器，根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率计算所述聚焦抛物面的中心角，根据所述开口半径及所述中心角，计算所述聚焦抛物面的焦距，声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，根据上述参数确定所述聚焦抛物面的抛物线方程，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上；根据上述步骤制作的声聚焦传感器，只需要获取预设的几个参数，就能快速地确定声聚焦传感器的大小形状，利用该声聚焦传感器中反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

附图说明

图1为本发明声聚焦传感器的制作方法在一实施例中的流程示意图。

图2为聚焦抛物面所形成的球形波阵面在一实施例中的示意图。

图3为反射镜上聚焦抛物面在一实施例中的示意图。

图4为驻极体传感器在一实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，是本发明声聚焦传感器的制作方法的流程示意图，包括如下步骤：

S11、根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率计算所述聚焦抛物面的中心角：

其中，α_m为所述中心角，D为所述开口半径，f为所述入射声波的频率，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12；

S12、根据所述开口半径及所述中心角，利用下式计算所述聚焦抛物面的焦距：

其中，F为所述焦距，c为声速；

S13、根据所述聚焦抛物面的焦距，制作声聚焦传感器，其中，所述声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上；

根据上述步骤制作的声聚焦传感器，只需要获取预设的几个参数，就能快速地确定声聚焦传感器的大小形状，且反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

其中，所述传感器可为驻极体传感器，其电容高，能克服需要外施极化电压和电容低的问题。

接下来通过一具体实施例阐述本发明。

如图2所述，是聚焦抛物面所形成的球形波阵面在坐标平面XOY中的示意图，F为球形波阵面的曲率半径，也即是聚焦抛物面的焦距，α_m为球形波阵面的中心角，O为焦点。

由于波阵面的曲率半径F远大于波长λ(F>>λ)，波阵面的边缘的衍射可以忽略，则声压为：

P＝P₀φ(α) (6-1)

P₀是对称轴与球形波阵面相交点H处的声压，φ(α)是声压分布函数，它满足条件：

φ(0)＝1 (6-2)

因此焦点附近，坐标为(η,γ)处的声压为：

式中，这里α即为上述的球形波阵面的中心角α_m，k＝2π/λ为波数，e为自然常数，λ是介质中的声波长，i是指预设的常数项，J₀是零阶贝塞尔函数：

在焦点处，即在λ＝η处，声压为：

声压分布函数为：

则声压增益值为焦点处声压与H点声压之比，即：

同理，对于速度分布表达式，可得：

则速度增益值为：

声强增益值为声压增益与速度增益之积，即：

由声学性质可以得到：

其中，c是声波在空气中传播的速度，f是入射波的频率；

将波数k＝2π/λ代入到(6-10)，可得：

再将式(6-11)代入到式(6-9)，可得聚焦抛物面的焦距F为：

如图3所示，是反射镜上聚焦抛物面的聚焦示意图，图3中抛物线GPH的方程为y²＝2px，反射镜的口径为2D，O为焦点；图3中圆弧APB是上述球形波阵面，其半径为F，也就是聚焦抛物面的焦距，因此：

F＝p/2(6-13)

α_m是波阵面的中心角，由图中的几何关系可得，在G点，y＝D，由抛物线方程可得：

将式(6-12)，(6-13)和(6-15)联立求解，可得抛物面的开口半径D。

有如下两种情况：

(1)当0⁰≤α_m≤90⁰时，

(2)当90⁰＜α_m≤180⁰时，

将式(6-16)变形可以得到中心角α_m与开口半径D、声速c、声波频率f和所需放大倍数K_I的关系，有如下两种情况，即：

(1)当0⁰≤α_m≤90⁰时，

(2)当90⁰＜α_m≤180⁰时，

对式(6-17)，令等式左边为：

当0⁰≤α_m≤90⁰时，系数A的取值范围是：0≤A≤15；

同理对(6-18)，令等式左边为：

B＝(3+cosα_m)(1+cosα_m)[3(1-cos²α_m)+2(1-cos³α_m)] (6-20)

当90⁰＜α_m≤180⁰时，系数B的取值范围是：0≤B≤15；

由式(6-19)和(6-20)得，当反射镜的聚焦抛物面的开口半径确定时，声速一定，入射波的频率也确定时，无论0⁰≤α_m≤90⁰还是90⁰＜α_m≤180⁰，它的放大倍数K_I的取值范围是一样的，即中心角所处象限与放大倍数无关。

例如，现已知所要制作的声传感器中，反射镜具有的聚焦抛物面的开口半径D＝13.5cm，声波在空气中传播的声速c＝340m/s，入射声波的频率f＝5000Hz，接着确定相应的反射镜的放大倍数，及相应的反射镜的大小形状(反射镜的大小形状由反射镜具有的聚焦抛物面的抛物线方程y²＝2px中的参数p和图2中的中心角α_m确定)。

将开口半径D＝13.5cm，声速c＝340m/s和频率f＝5000Hz代入式(6-17)，再与A的取值范围联立解不等式得放大倍数K_I的取值范围为：

0≤K_I≤12；

由以上推导可以得出，无论0⁰≤α_m≤90⁰还是90⁰＜α_m≤180⁰，放大倍数K_I的取值范围是一样的。

本实施例中，预设的开口半径D＝13.5cm，声速c＝340m/s，频率f＝5000Hz和放大倍数K_I＝10代入式(6-17)计算中心角α_m，可得：

解该方程式可得α_m＝51°；

将开口半径D＝13.5cm以及所求的中心角α_m＝51°再代入式(6-12)得抛物聚焦面的焦距为F＝5.6cm。

根据式(6-13)，即得抛物面的抛物线方程为y²＝0.224x，其焦距为5.6cm，开口半径为13.5cm，放大倍数为10倍。

本发明还提供一种声聚焦传感器，包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上，所述聚焦抛物面的抛物线方程为：y²＝2px，F＝p/2；

其中，

F为所述聚焦抛物面的焦距，c为声速，α_m为所述聚焦抛物面的中心角，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12，f为所述预设的入射声波的频率；

所述中心角通过下式计算得到：

其中，D为预设的聚焦抛物面的开口半径。

本实施例只需要获取预设的几个参数，就能快速地确定声聚焦传感器的大小形状；该声聚焦传感器中反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

在一较佳实施例中，所述声聚焦传感器可快速地获得声压增益，声压增益值为：

其中，K_p为所述声压增益值，

在一较佳实施例中，所述声聚焦传感器可快速地获得速度增益，所述声聚焦传感器的速度增益值为其中，K_v为所述速度增益值。

在一较佳实施例中，所述声聚焦传感器可快速地获得声强增益，所述声聚焦传感器的声强增益值为：

其中，K_s为所述声强增益值。

其中，所述传感器可为驻极体传感器，其电容高，能克服需要外施极化电压和电容低的问题；

驻极体是一些相当于永磁体的绝缘材料，在较高温度时以强电场处理(20kV/cm)，在冷却后可保留极化；驻极体传感器可用驻极体薄膜(如聚酯薄膜，厚度可接近6.25μm)压到布有小孔的后极板上，经极化后，外面镀一层金属并与外壳连接作为连地电极，后极板绝缘为另一电极，即可构成驻极体声传感器。

如图4所示，是本实施例驻极体传感器的结构示意图，驻极体传感器包括上电极和下电极，上电极为镀有金属层的驻极体振膜，下电极为金属板，上电极和下电极被气隙分开，上下电极之间通过连接线接入电源，上下电极之间的连接线还连接负载电阻，上电极还接地。

本发明一种声聚焦传感器的制作方法和一种声聚焦传感器，根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率计算所述聚焦抛物面的中心角，根据所述开口半径及所述中心角，计算所述聚焦抛物面的焦距，声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，根据上述参数确定所述聚焦抛物面的抛物线方程，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上；根据上述步骤制作的声聚焦传感器，只需要获取预设的几个参数，就能快速地确定声聚焦传感器的大小形状，利用该声聚焦传感器中反射镜形成的聚焦抛物面接收的污秽绝缘子放电声发射信号的灵敏度及信噪比非常高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种声聚焦传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据预设的聚焦抛物面的开口半径及预设的入射声波的频率，利用下式计算所述聚焦抛物面的中心角：

$\frac{(3+{\mathrm{cos\α}}_m){(1-{\mathrm{cos\α}}_m)}^2\[3(1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_m)+2(1-{\cos }^3{\mathrm{\α}}_m)\]}{(1+{\mathrm{cos\α}}_m)}=\frac{48c^2{K}_I}{D^2{\mathrm{\π}}^2{f}^2};$

其中，α_m为所述中心角，D为所述开口半径，f为所述入射声波的频率，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12；

根据所述开口半径及所述中心角，利用下式计算所述聚焦抛物面的焦距：

$F=\frac{c}{\mathrm{\π}f}\sqrt{\frac{K_I}{\[4-{(1+{\mathrm{cos\α}}_m)}^2\]*\[\frac{1}{4}(1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_m)+\frac{1}{6}(1-{\cos }^3{\mathrm{\α}}_m)\]}};$

其中，F为所述焦距，c为声速；

根据所述聚焦抛物面的焦距，制作声聚焦传感器，其中，所述声聚焦传感器包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上；

所述声聚焦传感器的声压增益值为其中，K_p为所述声压增益值，

所述声聚焦传感器的速度增益值为其中，K_v为所述速度增益值；

所述声聚焦传感器的声强增益值为其中，K_s为所述声强增益值；

所述传感器为驻极体传感器；所述驻极体传感器包括上电极和下电极，上电极为镀有金属层的驻极体振膜，下电极为金属板，上电极和下电极被气隙分开，上下电极之间通过连接线接入电源，上下电极之间的连接线还连接负载电阻，上电极还接地。

2.一种声聚焦传感器，其特征在于，包括反射镜和传感器，所述反射镜具有一聚焦抛物面，所述传感器设置在所述聚焦抛物面的焦点上，所述聚焦抛物面的抛物线方程为y²＝2px，F＝p/2；

其中，

F为所述聚焦抛物面的焦距，c为声速，α_m为所述聚焦抛物面的中心角，K₁为预设的聚焦抛物面的放大倍数，0≤K₁≤12，f为所述预设的入射声波的频率；

所述中心角通过下式计算得到：

$\frac{(3+{\mathrm{cos\α}}_m){(1-{\mathrm{cos\α}}_m)}^2\[3(1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_m)+2(1-{\cos }^3{\mathrm{\α}}_m)\]}{(1+{\mathrm{cos\α}}_m)}=\frac{48c^2{K}_I}{D^2{\mathrm{\π}}^2{f}^2};$

其中，D为预设的聚焦抛物面的开口半径；

所述声聚焦传感器的声压增益值为其中，K_p为所述声压增益值，

所述声聚焦传感器的速度增益值为其中，K_v为所述速度增益值；

所述声聚焦传感器的声强增益值为其中，K_s为所述声强增益值；

所述传感器为驻极体传感器；所述驻极体传感器包括上电极和下电极，上电极为镀有金属层的驻极体振膜，下电极为金属板，上电极和下电极被气隙分开，上下电极之间通过连接线接入电源，上下电极之间的连接线还连接负载电阻，上电极还接地。