CN112954562B - 一种基于参数激励的声学信号增强器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数激励的声学信号增强器，属于人工声学器件领域。尤其是涉及一种能对声能量进行操控和放大的声学信号增强器，具体为利用参激共振效应对弱的目标声信号进行放大。所述的声学信号增强器由提供交变电场的控制电路和填充了极性电介质的行波管组成，包括声速可控的电介质液体层。本发明联合引入的参数激励的频率和幅值来对目标声信号进行操控和放大，通过调控参数激励的频率来保证对任意频率的目标声信号进行处理。同时解决了已有声学信号增强器对水声频段信号放大能力较弱的问题，可提高声呐系统探测距离和目标识别准确率。

Description

一种基于参数激励的声学信号增强器

技术领域

本发明涉及一种基于参数激励的声学信号增强器，属于人工声学器件领域。尤其是涉及一种能对声能量进行操控和放大的声学信号增强器。

背景技术

电子三极管是一种能放大电信号的半导体器件；得益于电子三极管的出现，大规模集成电路才得以迅速发展，并为人类社会带来巨大变革。电与声是不同形式的能量载体，在性质与应用上也有许多相似之处。在声学领域，声学信号增强器的研究将具有重大的历史意义和实际应用价值。尤其是对于水下目标探测、水下远程通信、医疗超声等这种需要对声能量进行精密操控的领域意义重大。

在2014年，国内的程建春课题组提出了第一个声学信号增强器理论模型。该理论模型可以做到像电子三极管操控电流那样对声波进行操控与放大。该模型是一个三端口的波导系统，分别对应着电子三极管中的射级，基级和集电极。在这个声学信号增强器模型中，基极端输入的信号波可以用来控制集电极端输出的另一个具有更强能量的输出信号。由射极端输入的抽运声波则作为放大声能量所需的能量来源。这种声波的放大和开关效应的物理机理是通过非线性系统中的三波混频作用使转移到信号波上的能量大于因非线性作用损失的能量。

然而这种声学信号增强器对信号波的频率有一定要求，如果应用这一理论模型来制作声学信号增强器，就只能放大某些高频率的信号波；而水下的目标信号频率一般是小于3kHz的低频声信号，因此该声学信号增强器对水下目标信号进行操纵和放大的效果不佳。同时这种声学信号增强器的声波放大增益与非线性介质层的非线性参数及抽运波强度有关，但与非线性参数、抽运波强度不呈线性关系，很难通过调控非线性参数大小、抽运波的强度来精确的控制声波的放大增益。因此，需要一种新的声学信号增强器以实现对水下声信号的精确操控和放大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于参数激励的声学信号增强器，可实现对水声信号的精确操控和放大。其中参数激励是一种声学系统的新型激励方式，激励能量不再以边界条件的形式注入介质系统，而是通过一定的手段改变介质的参数，使系统变成参数激励系统；该系统的调制频率和调制幅度会影响声波的传播规律，并使声波产生参量放大现象。在参数激励系统中，参量变化越大(即参量调制深度越大)，系统中能量衰耗越小(即摩擦等阻尼越小)，参量谐振越容易发生，即越容易发生参量放大现象。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种能对水声信号进行精确操控和放大的声学信号增强器，所述的声学信号增强器由提供交变电场的控制电路和填充了极性电介质的行波管组成，包括行波管中声速可控的电介质液体层，即声速调制介质。通过交变电场的控制电路改变行波管中电介质液体层的性质来周期性调制行波管中的声速。声速周期性改变的频率与交变电场频率相同，即参数激励频率。适当调整参数激励频率与输入信号频率的比值以及参数激励幅度来实现对水声信号的精确操控和放大。

所述的一种基于参数激励的声学信号增强器的具体实现步骤包括：

(1)利用控制电路的交变电场强度E来调控填充了声速可控的电介质的行波管中液体介质的性质使行波管中的声速产生变化。电场的强度与声速的定量关系如下：

其中E是电场强度，c_E是施加电场后信号增强器中含极性电介质的液体层内的声传播速度，c₀是未施加电场时的液体层内的声传播速度，γ＝c_p/c_V是恒压比热容c_p与恒定体积比热容c_V的比值，ε₀是初始介电常数，ε_r是相对介电常数，ρ是电解质液体层密度。

(2)构造一种填充了极性电介质的行波管系统，该系统中声速能周期性变化：

其中，c₁是经过交变电场调制后的声速，c₀是未调制前行波管中介质原来的声传播速度，f₁是参数激励频率，是声速周期性变化的频率，该频率与交变电场的频率相同，m是参数激励的幅度，代表介质中声速调制的程度，t是声速变化的时间长度。

(3)在行波管的左端加上一个声源，在声源处施加一个正弦波信号P_s＝P₀·sin(2πf₀t)入射到行波管中。

其中，P_s是入射声信号，P₀是入射声信号幅值，f₀是入射声信号频率。

(4)考虑介质的粘滞吸收与热传导；构建有关声压的参数激励下的非线性声波动方程：

其中，p'是声压；

表示介质的耗散项，α是介质的衰减系数，ω＝2πf₀是目标信号的角频率；β是非线性系数，ρ₀是介质密度。

(5)利用交变电场的控制电路改变交变电场频率，即参数激励频率；控制参数激励频率与信号频率的比值，比较得出声信号放大的最适参数激励频率与信号频率比。

(6)在最适的参数激励频率f₁与信号频率f₀的比值为2：1时，改变参数激励幅度m得到相应的信号放大效果。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于参数激励的声学信号增强器，通过调制参数频率与信号频率比值的方式，保证了声学信号增强器能对不同频率声波进行操控和放大，此器件具有较宽的工作带宽。同时，通过调制参数激励幅度的方式使输入的声信号能得到足够的放大倍数。基于参数激励的声学信号增强器可用于对水下声信号进行操控和放大，它能在水下目标探测、水下远距离通信等这种需要对声能量进行精密操控的领域发挥重要作用。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明方案实施的声学信号增强器简图。

图2为根据本发明方案实施的声学信号增强器使用参数激励前后，输出声波信号在固定空间位置的时域波形的仿真对比图。

图3为根据本发明方案实施的声学信号增强器使用参数激励前后，输出声波信号功率谱在参数激励与声源频率的比值为2：1时的仿真对比图。

图4为根据本发明方案实施的基于参数激励的声学信号增强器，在控制参数激励与声源频率的比值为2：1的情况下，得到的不同参数激励幅值下声信号的放大增益。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种基于参数激励的新型声学信号增强器，包括声速可控的电介质液体层。通过交变电场的控制电路改变行波管中电介质液体层的性质来周期性调制行波管中的声速。本发明的实施方式包括如下步骤：

步骤一：设置交变电场的控制电路数学模型使填充了极性电介质的行波管系统得到周期性调制，即

步骤二：在行波管的左端加上一个声源，在声源处施加一个正弦波信号，该正弦波信号P_s＝P₀·sin(2πf₀t)入射到行波管中。

步骤三：利用步骤一中的行波管系统构建有关声压的参数激励下的理想媒介中小振幅声波动方程：

步骤四：利用步骤三中的理想媒介中小振幅声波动方程，考虑介质的粘滞吸收与热传导，构建有关声压的参数激励下的非线性声波动方程：

步骤五：利用时域有限差分法构建参数激励下的声学信号增强器模型的差分格式。这里对步骤四中的参数激励下的非线性声波动方程采用离散的二阶精度差分格式。其中δ_x为空间步长，δ_t为时间步长，c₀为介质中的声速。p(x,t)待求声压场在时间和空间上被网格离散，记为p(x_i,t_n)，简写成

节点下标n代表时间，i代表空间。得到差分格式，其中

将得到的差分格式带入到非线性波动方程中，并进行化简，可得到声压的递推公式:

其中：

设置一维条件下Mur吸收边界条件，其形式是：

其中p是声压，c是吸收边界处的声速，x-range为模拟空间方向上的范围，相应的差分格式为：

当

时，

步骤六：选取合适的行波管长度、行波管中声波的传播时长、吸收边界位置、空间步长、时间步长并选取合适的介质参数来仿真图1中的输出信号波P_c在固定空间位置处的时域波形及相应的功率谱图。其中利用交变电场的控制电路改变交变电场频率，即参数激励频率；控制参数激励频率与信号频率的比值，比较得出信号放大的最适参数激励频率与信号频率比，即参数激励频率f₁与信号频率f₀之间的比值为2：1时，输出的信号在频率为f₀的分量得到放大。

步骤七：设置相同的行波管长度、行波管中声波的传播时长、吸收边界位置、空间步长、时间步长及介质参数在参数激励频率f₁与信号频率f₀比值为2：1的情况下，改变参数激励幅度m得到参数激励下水下声信号的放大增益。

Claims (1)

1.一种基于参数激励的声学信号增强器，其特征在于：所述的声学信号增强器由提供交变电场的控制电路和填充了极性电介质的行波管组成，包括行波管中声速可控的电介质液体层，即声速调制介质；所述的一种基于参数激励的声学信号增强器的具体实现步骤包括：

(1)通过交变电场的控制电路改变行波管中电介质液体层的性质来周期性调制行波管中的声速；

所述的步骤(1)的具体实现步骤包括：

(1.1)利用控制电路的电场强度E来调控填充了声速可控的电介质层的行波管中液体介质的性质使行波管中的声速产生变化；电场的强度与声速的定量关系如下：

其中E是电场强度，c_E是施加电场后信号增强器中含电解质的液体层内的声传播速度，c₀是未施加电场时的液体层内的声传播速度，γ＝c_p/c_V是恒压比热容c_p与恒定体积比热容c_V的比值，ε₀是初始介电常数，ε_r是相对介电常数，ρ是电解质液体层密度；

(1.2)设置交变电场的控制电路数学模型使填充了极性电介质的行波管系统得到周期性调制，即

其中，c₁是经过交变电场调制后的声速，c₀是未调制前行波管中介质原来的声传播速度，f₁是参数激励频率，是声速周期性变化的频率，该频率与交变电场的频率相同，m是参数激励的幅度，代表介质中声速调制的程度，t是声速变化的时间长度；

所述的步骤(1.2)的具体实现步骤包括：

(1.2.1)在行波管的左端加上一个声源，在声源处施加一个正弦波信号P_s＝P₀·sin(2πf₀t)入射到行波管中；

其中，P_s是入射声信号，P₀是入射声信号幅值，f₀是入射声信号频率；

(1.2.2)构建有关声压的参数激励下的理想媒介中小振幅声波动方程：

考虑介质的粘滞吸收与热传导，构建有关声压的参数激励下的非线性声波动方程：

其中，p'是声压；

表示介质的耗散项，α是介质的衰减系数，ω＝2πf₀是目标信号的角频率；β是非线性系数，ρ₀是介质密度；

(2)适当调整参数激励频率与输入信号频率的比值以及参数激励幅度来实现对水声信号的精确操控和放大；

所述的步骤(2)的具体实现步骤包括：

(2.1)利用时域有限差分法构建参数激励下的声学信号增强器模型的差分格式；这里对参数激励下的非线性声波动方程采用离散的二阶精度差分格式；其中δ_x为空间步长，δ_t为时间步长，c₀为介质中的声速；p(x,t)待求声压场在时间和空间上被网格离散，记为p(x_i,t_n)，简写成

节点下标n代表时间，i代表空间；得到差分格式，其中

将得到的差分格式带入到非线性声波动方程中，并进行化简，可得到声压的递推公式:

其中：

设置一维条件下Mur吸收边界条件，其形式是：

其中p是声压，c是吸收边界处的声速，x_range为模拟空间x方向上的范围，相应的差分格式为：

当

时，

(2.2)选取合适的行波管长度、行波管中声波的传播时长、吸收边界位置、空间步长、时间步长并选取合适的介质参数来计算输出信号波P_c在固定空间位置处的随时间变化的声压幅值及其相应的声信号功率谱；其中利用交变电场的控制电路改变交变电场频率，即参数激励频率；控制参数激励频率与信号频率的比值，比较得出信号放大的最适参数激励频率与信号频率比，即参数激励频率f₁与信号频率f₀之间的比值为2：1时，输出的信号在频率为f₀的分量得到放大；

(2.3)设置相同的行波管长度、行波管中声波的传播时长、吸收边界位置、空间步长、时间步长及介质参数在参数激励频率f₁与信号频率f₀比值为2：1的情况下，改变参数激励幅度m得到参数激励下水下声信号的放大增益。

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