CN115255650A - 一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法，聚音装置为锥体结构，包括前端部和后端部，前端部呈喇叭状，前端部的内壁表面为呈现图案阵列的微结构，图案阵列的微结构通过激光刻蚀形成；监测的声波频率为50Hz～10kHz，声波自前端部入口进入聚音装置，经内壁表面图案阵列的微结构反射，从后端部出口传出，后端部出口声压为前端部入口声压的4～8倍。本发明给出的聚音装置扩大了电力设备声波的接收范围，尤其是针对微弱声波起到聚音的效果，实现对电力设备基于声纹监测的智能化诊断。

Description

一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法

技术领域

本发明涉及声纹监测技术领域，具体涉及一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法。

背景技术

电力设备在运行过程中由于铁芯松动或局部放电等原因会产生微弱的声学信号，经验丰富的运维人员可通过电力设备发出的异常声音定性判断设备是否存在故障。然而，这种人工辨识的方式检测效率低、耗时耗力、主观性强而且依赖于巡视人员的工程经验，仅限于可听声频段范围内，声波频段窄，无法实现电力设备的实时超声频段监测，无法适应电力设备监测的要求。

当前，利用声音参数判断电力设备的运行状态，反应不同电力设备不同运行状态，就需要采用设备采集声纹，进行电力设备的巡检监测。典型案例如应用于高压设备绝缘诊断中的低频超声检测技术。由于利用声音监测电力设备运行状态可以实现无接触无损耗测量，声学声纹检测技术得到大力推广。随着信号传输技术的几次革新以及大数据时代的来临，声学声纹监测技术也逐步向智能化、网络化发展。

如专利CN114280436A给出了一种监测电力设备局部放电的F-P超声传感器阵列植入装置，装置由F-P超声传感器支撑件、F-P超声传感器阵列和光纤接线端组成。该阵列能够植入具有套管与电流互感器同轴结构的电力设备内部，灵敏迅速地检测电力设备套管、器身、引线、线圈等各部位因局部放电产生的超声波信号，检测范围可覆盖20kHz～300kHz超声波频带。但是，该技术方案仍然存在一定的局限性，监测的声波频带范围较窄，且不能监测微弱的声学信号，不能完全实现电力设备声纹监测的智能化标准。

声纹监测技术中用到的聚音装置是声纹监测的关键部件，现有技术多集中在对其机械结构的设计与改进，但是监测声音损耗较大的问题一直存在，严重影响了电力设备声纹的监测效果。

因此，提供一种声波反射率高、损耗率低的聚音装置，以实现提升声纹监测的效果是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法，采用材料表面微处理的思路，通过超快激光微纳加工技术调控聚音装置内表面声学微结构尺寸与形貌，在聚音装置的喇叭状前端部的内壁表面蚀刻形成图案阵列的微结构，实现定制化加工，增加聚音装置内表面对声波调控，同时增强对声音的指向性。尤其是将图案阵列设定为回字形沟槽阵列，设置相应的沟槽宽度和深度，对应调整喇叭状前端部的倾斜角，从而使得采集的声波损耗率降低、反射率增高。

第一方面，本发明提供一种用于声纹监测的聚音装置，其特征在于，聚音装置为锥体结构，包括前端部和后端部，前端部呈喇叭状，前端部的内壁表面为呈现图案阵列的微结构，图案阵列的微结构通过激光刻蚀形成；

监测的声波频率为50Hz～10kHz，声波自前端部入口进入聚音装置，经内壁表面图案阵列的微结构反射，从后端部出口传出，后端部出口声压为前端部入口声压的4～8倍。

用于电力设备声纹监测的聚音装置采用材料表面微处理的思路，通过超快激光微纳加工技术调控聚音装置内表面声学微结构尺寸与形貌，在聚音装置的喇叭状前端部的内壁表面蚀刻形成图案阵列的微结构，增加聚音装置内表面对声波调控，同时增强对声音的指向性。

进一步的，聚音装置为金属或者塑料材质，前端部的长度为5-30cm，后端部的长度为2-10cm，后端部的内壁表面粗糙度为0.1～1μm。

设定聚音装置中前端部和后端部的尺寸，可以使得声波在前端部的内壁表面反射后，再经后端部相对光滑表面镜面反射，实现电力设备产生的微弱声学信号的采集监测，既延长了声波反射的路径，又不至于增多反射次数，降低了微弱声波通过聚音装置进行采集过程中的损耗。同时，在前端部的喇叭状结构的内壁表面进行微结构加工，也更加便捷，同时又能保证加工精度。

进一步的，图案阵列为回字形沟槽阵列结构，回字形沟槽阵列为长方形；

回字形沟槽阵列包括多个并列排布的回字形沟槽，各个回字形沟槽的尺寸相同，每个回字形沟槽的宽度为200～400μm，相邻两回字形沟槽的间距为18～22μm；

每个回字形沟槽包括中心沟槽和至少两层的边缘台阶，中心沟槽的深度为40～50μm，每层边缘台阶的宽度为20～30μm。

将前端部的内壁表面设置为回字形沟槽阵列，通过在内壁表面深浅的层次设置，延长了微弱声波在整个聚音装置内部空间的反射路径，且回字形沟槽中设置的边缘台阶能对声波的反射起到过渡作用，减少微弱声波在反射过程中的损耗。

进一步的，前端部的倾斜角与每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系为：

其中，

为声波经回字形沟槽反射后的变化相位，φ为声波入射到回字形沟槽界面上的额外相位，

为相比光滑内壁表面的差值，λ为声波的波长，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，H为声波反射与声波入射高度差的绝对值，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角，β为声波经回字形沟槽界面的反射角，γ为声波入射到回字形沟槽界面的入射角，x为声波入射到回字形沟槽界面点的横向坐标值，

为声波在横向坐标值为x的点的变化相位与x的求导数值。

基于回字形沟槽的宽度、中心沟槽深度以及边缘台阶宽度，并对应设置前端部喇叭的倾斜角，增大声波经回字形沟槽反射后的相位，进而增大声波的反射率。在增大声波的反射率基础上，基于回字形沟槽的宽度、中心沟槽深度以及边缘台阶宽度的数值，结合前端部喇叭的倾斜角，增大声波经回字形沟槽界面的反射角，且反射次数较少，降低了声波在聚音设备采集传播中的损耗。

进一步的，中心沟槽深度、每个回字形沟槽的宽度、以及每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度之间的关系为：

式中，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角，取值为15°～60°，R的取值范围为0.1～0.65。

在设定的该前端部的倾斜角数值范围，符合以上前端部的倾斜角与回字形沟槽阵列的每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系的情况下，经聚音装置采集的微弱声波相较光滑的内壁表面采集到的微弱声波，反射率提升了约15～25％，声波的损耗率降低了约15～25％。

第二方面，本发明还提供一种制备上述聚音装置的方法，包括如下步骤：

预先制成锥体结构的聚音装置，聚音装置包括前端部和后端部；

基于聚音装置前端部内壁表面的图案阵列，规划激光光束行走的路径；

设定激光器的参数数值，其中，激光器的参数类别包括激光脉宽、激光波长、功率范围及扫描速度；

根据激光聚焦方式，搭建激光聚焦装置，对激光器发出的激光光束进行聚焦；

启动激光器，对前端部内壁表面进行激光刻蚀，制备得到聚音装置内表面的微结构。

针对聚音装置前端部的内壁表面采用超快激光的加工方法，形成呈现图案阵列的微结构，激光加工的精度高，同时又可实现聚音装置前端部内壁表面复杂图案的定制化加工，适用不同场景的电力设备的微弱声波监测诊断中。

进一步的，规划激光光束行走的路径，具体包括：

在激光器中设定扫描方式为网格状，并输入扫描加工过程中光束行走的路径节点信息；

设定激光扫描中平行线间的间隙为18～22μm，激光的光斑直径为13-17μm。

进一步的，设定激光器的参数数值，具体包括：激光脉宽为0.001～1fs，激光波长为355～1064nm，功率范围50mW～15W，扫描速度为200～800mm/s。

对激光器的具体激光功率的参数进行限定，适应聚音装置前端部1内壁表面的图案阵列微结构，可以实现针对内壁表面材料的加工深度和宽度的调控，进而制备得到相应场景的图案阵列微结构。

进一步的，激光聚焦装置包括反射镜组、扩束镜、扫描振镜和F-Theta镜头，反射镜组用于调整激光光束的扫描移动；

扩束镜的扩束倍数为2～4倍，扫描振镜的范围为≥(100×100)mm，F-Theta镜头的焦点范围≥(-30～30)mm。

进一步的，激光光束聚焦的方式为正离焦，离焦量为1～5μm。

设置合适的离焦量，可以保证激光加工的精度。离焦量过小，激光会造成内壁表面的严重损坏，导致表面粗糙，图案阵列的加工精度无法保证，且回字形沟槽会呈现锥形；离焦量过大，激光的能量无法充足的传到内壁表面，无法加工形成符合预期的图案阵列微结构。

本发明提供的一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法，至少包括如下有益效果：

(1)前端部的内壁表面呈现图案阵列的微结构，可以扩大声波监测的频率范围，提高声波反射率，降低声波损耗。

(2)将图案阵列设计为回字形沟槽阵列结构，延长声波在聚音装置空间内的传输路径，降低声波的反射次数，提升声波的反射率，降低声波的损耗；并且在设定的回字形沟槽的中心沟槽深度、沟槽宽度、边缘台阶宽度以及喇叭状前端部倾斜角的情况下，相较光滑的内壁表面，声波反射率提高15～25％，声波损耗率降低15～25％。

(3)采用激光扫描加工的方式，可以将激光光束与图案阵列微结构相适用，保证了前端部内壁表面的图案阵列微结构的加工速度，提升了微结构的加工精度。通过激光扫描刻蚀形成的图案阵列微结构采集到的声波，反射率提到了提升，同时降低了声波传输过程中的损耗。

(4)对激光器的具体激光功率的参数进行限定，适应聚音装置前端部内壁表面的图案阵列微结构，可以实现针对内壁表面材料的加工深度和宽度的调控，进而制备得到相应场景的图案阵列微结构。用于针对激光发出光束聚焦的扩束镜的扩束倍数、扫描振镜的范围以及F-Theta镜头的焦点范围的数值，能保证内壁表面的图案阵列微结构加工的精度和效率。扫描振镜与F-Theta镜头组合可实现高自由度三维空间的扫描加工，适合喇叭状聚音装置内壁表面图案阵列微结构的加工。设置合适的离焦量，可以保证激光加工的精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于声纹监测的聚音装置的整体结构图；

图2为本发明提供的用于声纹监测的聚音装置的局部剖视图；

图3为本发明提供的实施例中前端部内壁表面回字形沟槽阵列的结构示意图；

图4为本发明提供的制备聚音装置内壁表面图案阵列的激光蚀刻的位置示意图；

图5为本发明提供的实施例中前端部内壁表面回字形沟槽阵列下声波的反射路径示意图；

图6为本发明提供的制备聚音装置的流程方法图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

如图1及图2所示，本发明提供一种用于声纹监测的聚音装置，聚音装置整体为锥体结构，包括前端部1和后端部2，前端部1呈喇叭状，前端部1的内壁表面为呈现图案阵列的微结构，图案阵列的微结构通过激光刻蚀形成；

监测的声波频率为50Hz～10kHz，声波自前端部1入口进入聚音装置，经内壁表面图案阵列的微结构反射，从后端部2出口传出，后端部出口声压为前端部入口声压的4～8倍。

前端部1的前段为声波的入口，后段为声波的出口，声波从前端部1传出后，进入后端部2，随后从后端部2进入声纹监测的后续装置中，从而完成对电力设备微弱声学信号的采集。

现有方案聚音设备，其表面较为光滑，无法实现对反射声波的方向性调控。本发明中针对聚音装置的改进是采用材料表面微处理的思路，通过超快激光微纳加工技术调控聚音装置内表面声学微结构尺寸与形貌，在聚音装置的喇叭状前端部1的内壁表面蚀刻形成图案阵列的微结构，增加聚音装置内表面对声波调控，同时增强对声音的指向性。

在某个实施例中，用于声纹监测的聚音装置材质可以选用金属或者塑料，当然，前后端部也可以选择不同的材质，在此不做特别的限定。其中，前端部1的长度控制为5-30cm，后端部2的长度控制为2-10cm。前端部1的内壁表面通过激光蚀刻为呈图案陈列的微结构，后端部2的内壁表面则为相对光滑的表面，将其粗糙度控制为0.1～1μm。

设定聚音装置的前端部1和后端部2的尺寸，可以使得声波在前端部1的内壁表面进行反射后，再经后端部2相对光滑表面镜面反射，实现电力设备微弱声学信号的采集监测，既延长了声波反射的路径，又不至于增多反射次数，降低了微弱声波信号通过聚音装置进行采集过程中的损耗。同时，在前端部1的喇叭状结构的内壁表面进行微结构加工，也更加便捷，同时也能保证加工精度。

在某个实施例中，如图3所示，将前端部1的内壁表面微结构的图案阵列限定为回字形沟槽阵列结构，且整个回字形沟槽阵列的形状为长方形；

回字形沟槽阵列包括多个并列排布的回字形沟槽，各个回字形沟槽的尺寸相同。

将每个回字形沟槽的宽度范围限定为200～400μm，相邻两个回字形沟槽之间的间距范围限定为18～22μm；

并且每个回字形沟槽均包括中心沟槽和至少两层的边缘台阶，中心沟槽的深度为40～50μm，此处中心沟槽的深度是相对于前端部内壁表面的垂直深度，每层边缘台阶的宽度为20～30μm，边缘台阶自回字形沟槽的边线相中心沟槽位置逐层延伸，在此不对边缘台阶的逐层深度和边缘台阶的具体层数做进一步的限定。其中，图2给出的边缘台阶层数为2层。

中心沟槽的具体深度值、边缘台阶的具体宽度值、边缘台阶的具体层数以及每层边缘台阶的具体深度值可以根据不同监测的电力设备进行适用性的限定。

将前端部1的内壁表面设置为回字形沟槽阵列，通过在内壁表面深浅的层次设置，延长了微弱声波在整个聚音装置中的的反射路径，且回字形沟槽中设置的边缘台阶也能起到过渡作用，降低微弱声波在反射过程中的损耗。

如图4所示，某一特定方向的声波在进入聚音装置的前端部1后，入射到内壁表面的回字形沟槽阵列的中心沟槽中，经过反射传入后端部2中，进而实现声波的采集。其他方向或者角度的声波反射路径与图3中给出的相似，在此不做重复叙述。基于在针对每个电力设备进行声波采集监测的实施例中，各个方向传入声波均需要考虑前端部1的倾斜角与回字形沟槽阵列的每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系。

基于每个回字形沟槽的宽度、中心沟槽深度以及边缘台阶宽度，并对应设置前端部1的倾斜角，才能增大微弱声波经回字形沟槽反射后的相位，进而增大采集到的声波的反射率。

前端部1的倾斜角与回字形沟槽阵列的每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系具体为：

其中，

为声波经回字形沟槽反射后的变化相位，φ为声波入射到回字形沟槽界面上的额外相位，

为相比光滑内壁表面的差值，λ为声波的波长，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，H为声波反射与声波入射高度差的绝对值，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角。

当然，利用回字形沟槽阵列增大微弱声波的反射率，也需要同时考虑微弱声波的损耗问题。

微弱声波在聚音装置内部进行反射时，为降低损耗，需要尽量减少微弱声波的反射次数。因而，必须尽量保证从各个方向进入聚音装置前端部1的声波在回字形沟槽经过较少次数的反射后，传如到后端部2，再进入后段的声波监测处理装置中。

针对降低声波损耗的效果，需要基于回字形沟槽的宽度、中心沟槽深度以及边缘台阶宽度的数值，结合前端部喇叭的倾斜角，考虑增大声波经回字形沟槽界面的反射角，进而使得反射次数减少，降低微弱声波在聚音设备采集传播中的损耗。

前端部1的倾斜角与回字形沟槽阵列的每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系，还需要满足以下条件：

其中，β为声波经回字形沟槽界面的反射角，γ为声波入射到回字形沟槽界面的入射角，x为声波入射到回字形沟槽界面点的横向坐标值，

为声波在横向坐标值为x的点的变化相位与x的求导数值，λ为声波的波长，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角。

中心沟槽深度、每个回字形沟槽的宽度、以及每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度之间的关系为：

式中，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角，在某个实施例中，前端部1的倾斜角取值为15°～60°，R的取值范围为0.1～0.65。

在设定的该前端部1的倾斜角数值范围，符合以上前端部1的倾斜角与回字形沟槽阵列的每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系的情况下，经聚音装置采集的微弱声波相较光滑的内壁表面采集到的微弱声波，尤其是对特定频率范围的声波反射率提升了约15～25％，声波的损耗率降低了约15～25％。

同时，如图5所示，本发明还提供一种制备上述聚音装置的方法，包括如下步骤：

预先制成锥体结构的聚音装置，聚音装置包括前端部1和后端部2；

基于聚音装置前端部1内壁表面的图案阵列，规划激光光束行走的路径；

设定激光器的参数数值，其中，激光器的参数类别包括激光脉宽、激光波长、功率范围及扫描速度；

根据激光聚焦方式，搭建激光聚焦装置3，对激光器发出的激光进行聚焦；

启动激光器，对前端部1内壁表面进行激光刻蚀，制备得到聚音装置内表面的微结构。

聚音装置前端部为喇叭状结构，常规的加工方式无法深入加工，并且定制化程度较低。本发明针对聚音装置前端部1的内壁表面采用超快激光的加工方法，形成呈现图案阵列的微结构，激光加工的精度高，同时又可实现聚音装置前端部1内壁表面复杂图案的定制化加工，适用不同场景的电力设备的微弱声波监测诊断中。

在某个实施例中，规划激光光束行走的路径，具体包括如下的步骤：

在激光器中设定扫描方式为网格状，并输入扫描加工过程中光束行走的路径节点信息；在此不对具体的路径节点信息选取的位置进行限定，可以根据不同的图案阵列形状进行设定，同时也不对激光光束行走的次数进行限定，保证能得到精度高、且完整的定制化图案阵列即可。

设定激光扫描中平行线间的间隙为18～22μm，激光的光斑直径为13-17μm。在此选用的平行线间的间隙数值和激光光斑直径数值，主要是基于图案阵列的微结构的整体形状及深度和宽度的数值范围给定。同样不对具体的数值进行限定，特定的激光扫描中平行线间的间隙数值和激光的光斑直径可以根据监测的电力设备的微弱声波特性进行限定。

在某实施例中，设定激光器的参数数值，具体包括：激光脉宽为0.001～1fs，激光波长为355～1064nm，功率范围50mW～15W，扫描速度为200～800mm/s。

对激光器的具体激光功率的参数进行限定，适应聚音装置前端部1内壁表面的图案阵列微结构，可以实现针对内壁表面材料的加工深度和宽度的调控，进而制备得到相应场景的图案阵列微结构。

在某实施例中，如图6所示，激光聚焦装置3包括反射镜组、扩束镜、扫描振镜和F-Theta镜头，其中，反射镜组用于调整激光光束的扫描移动，通过激光光束的扫描移动实现在前端部1内壁表面的刻蚀，制备形成图案阵列的微结构；

扩束镜的扩束倍数为2～4倍，扫描振镜的范围为≥(100×100)mm，F-Theta镜头的焦点范围≥(-30～30)mm。

其中，扫描振镜的范围限定的是整个激光聚焦平面的横向(X轴方向)及纵向(Y轴方向)，即扫描振镜的范围不小于100×100mm。并且，通常来说扫描振镜的横向和纵向的尺寸相同。F-Theta镜头的焦点范围限定的是整个激光聚焦平面的竖向(Z轴方向)，即F-Theta镜头的焦点范围在镜头竖向上下的数值均不小于30mm。

用于针对激光发出光束聚焦的扩束镜的扩束倍数、扫描振镜的范围以及F-Theta镜头的焦点范围的数值均与聚音装置前端部1内壁表面的加工图案阵列过程相关。在此数值范围内，能保证内壁表面的图案阵列微结构加工的精度和效率。当然，对于具体的数值点在此不做特殊的限定，可以根据应用的图案阵列的尺寸数值进行调整。扫描振镜与F-Theta镜头组合可实现高自由度三维空间的扫描加工，适合喇叭状聚音装置内壁表面图案阵列微结构的加工。

在某个实施例中，激光光束聚焦的方式为正离焦，离焦量为1～5μm。

离焦量即为激光光束与聚音装置前端部1内壁表面的间距，设置合适的离焦量，可以保证激光加工的精度。离焦量过小，激光会造成内壁表面的严重损坏，导致表面粗糙，图案阵列的加工精度无法保证，且回字形沟槽会呈现锥形；离焦量过大，激光的能量无法充足的传到到内壁表面，无法加工形成符合预期的图案阵列微结构。

本发明提供的一种用于声纹监测的聚音装置及制备方法，包括如下有益效果：

(1)前端部的内壁表面呈现图案阵列的微结构，可以扩大声波监测的频率范围，提高声波反射率，降低声波损耗。

(2)将图案阵列设计为回字形沟槽阵列结构，延长声波在聚音装置空间内的传输路径，降低声波的反射次数，提升声波的反射率，降低声波的损耗；并且在设定的回字形沟槽的中心沟槽深度、沟槽宽度、边缘台阶宽度以及喇叭状前端部倾斜角的情况下，相较光滑的内壁表面，声波反射率提高15～25％，声波损耗率降低15～25％。

(3)采用激光扫描加工的方式，可以将激光光束与图案阵列微结构相适用，保证了前端部内壁表面的图案阵列微结构的加工速度，提升了微结构的加工精度。通过激光扫描刻蚀形成的图案阵列微结构采集到的声波，反射率提到了提升，同时降低了声波传输过程中的损耗。

(4)对激光器的具体激光功率的参数进行限定，适应聚音装置前端部内壁表面的图案阵列微结构，可以实现针对内壁表面材料的加工深度和宽度的调控，进而制备得到相应场景的图案阵列微结构。用于针对激光发出光束聚焦的扩束镜的扩束倍数、扫描振镜的范围以及F-Theta镜头的焦点范围的数值，能保证内壁表面的图案阵列微结构加工的精度和效率。扫描振镜与F-Theta镜头组合可实现高自由度三维空间的扫描加工，适合喇叭状聚音装置内壁表面图案阵列微结构的加工。设置合适的离焦量，可以保证激光加工的精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于声纹监测的聚音装置，其特征在于，聚音装置为锥体结构，包括前端部和后端部，前端部呈喇叭状，前端部的内壁表面为呈现图案阵列的微结构，图案阵列的微结构通过激光刻蚀形成；

监测的声波频率为50Hz～10kHz，声波自前端部入口进入聚音装置，经内壁表面图案阵列的微结构反射，从后端部出口传出，后端部出口声压为前端部入口声压的4～8倍。

2.如权利要求1所述的聚音装置，其特征在于，聚音装置为金属或者塑料材质，前端部的长度为5-30cm，后端部的长度为2-10cm，后端部的内壁表面粗糙度为0.1～1μm。

3.如权利要求1所述的聚音装置，其特征在于，图案阵列为回字形沟槽阵列结构，回字形沟槽阵列为长方形；

回字形沟槽阵列包括多个并列排布的回字形沟槽，各个回字形沟槽的尺寸相同，每个回字形沟槽的宽度为200～400μm，相邻两回字形沟槽的间距为18～22μm；

每个回字形沟槽包括中心沟槽和至少两层的边缘台阶，中心沟槽的深度为40～50μm，每层边缘台阶的宽度为20～30μm。

4.如权利要求3所述聚音装置，其特征在于，前端部的倾斜角与每个回字形沟槽的中心沟槽深度、边缘台阶宽度以及监测的声波参数之间的关系为：

其中，

为声波经回字形沟槽反射后的变化相位，φ为声波入射到回字形沟槽界面上的额外相位，

为相比光滑内壁表面的差值，λ为声波的波长，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，H为声波反射与声波入射高度差的绝对值，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角；β为声波经回字形沟槽界面的反射角，γ为声波入射到回字形沟槽界面的入射角，x为声波入射到回字形沟槽界面点的横向坐标值，

为声波在横向坐标值为x的点的变化相位与x的求导数值。

5.如权利要求4所述的聚音装置，其特征在于，中心沟槽深度、每个回字形沟槽的宽度、以及每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度之间的关系为：

式中，l为每个回字形沟槽的宽度，d为每个回字形沟槽的单边边缘台阶总宽度，h为中心沟槽深度，α为前端部的倾斜角，取值为15°～60°，R的取值范围为0.1～0.65。

6.一种制备如权利要求1-5任一所述聚音装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

预先制成锥体结构的聚音装置，聚音装置包括前端部和后端部；

基于聚音装置前端部内壁表面的图案阵列，规划激光光束行走的路径；

设定激光器的参数数值，其中，激光器的参数类别包括激光脉宽、激光波长、功率范围及扫描速度；

根据激光光束聚焦方式，搭建激光聚焦装置，对激光器发出的激光光束进行聚焦；

启动激光器，对前端部内壁表面进行激光刻蚀，制备得到聚音装置内表面的微结构。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，规划激光光束行走的路径，具体包括：

在激光器中设定扫描方式为网格状，并输入扫描加工过程中光束行走的路径节点信息；

设定激光扫描中平行线间的间隙为18～22μm，激光的光斑直径为13-17μm。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，设定激光器的参数数值，具体包括：激光脉宽为0.001～1fs，激光波长为355～1064nm，功率范围50mW～15W，扫描速度为200～800mm/s。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，激光聚焦装置包括反射镜组、扩束镜、扫描振镜和F-Theta镜头，反射镜组用于调整激光光束的扫描移动；

扩束镜的扩束倍数为2～4倍，扫描振镜的范围为≥(100×100)mm，F-Theta镜头的焦点范围≥(-30～30)mm。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，激光光束聚焦的方式为正离焦，离焦量为1～5μm。

Images