声表面波气体传感器研究进展*

基于声表面波技术的气体传感器包括采用敏感膜和结合气相色谱两种方式。比较而言,采用敏感膜的声表面波气体传感器体积小、功耗低,适应小型化毒气报警器的发展要求,但可检测的气体种类少、灵敏度低、存在交叉干扰问题;声表面波与气相色谱联用的气体分析仪灵敏度高、可检测气体种类多、很好地解决交叉干扰问题,特别适合于复杂大气背景条件下的气体成分分析。本文从传感器响应机理分析与物理功能结构两方面出发介绍了两类声表面波气体传感器的研究进展情况。     

二维蜂窝结构声子晶体的负折射成像研究*

为了得到分辨率更好的平板透镜,对此进行了研究。利用有限元的方法研究了由水/水银材料组合的二维蜂窝结构声子晶体平板透镜的负折射成像特性,通过数值仿真计算了声子晶体的能带结构、等频色散曲线,模拟了点源成像,并且利用高斯波束验证了声子晶体平板透镜的负折射现象,得到了有效折射率neff =-1的成像。对比相同材料的正方晶格和三角晶格而言,该模型的成像效果更佳。为了改善成像分辨率,还在原来的模型上进行了改进,得到了分辨率约为0.37λ的亚波长像。     

稳健宽带波束形成器设计的低阶统计量法*

由于传声器阵列通常对阵元失配误差较为敏感,因此稳健波束形成器的设计已成为传声器阵列处理领域的研究热点之一。概率密度法是目前传声器阵列稳健波束形成器设计中的一类重要方法,但该方法所需的阵元失配误差的概率密度信息在实际中较难获取。针对这一问题,本文研究了基于阵元失配误差低阶统计量的稳健波束形成器设计方法,该方法仅利用在实际中较易获取的阵元失配误差的一阶和二阶统计量信息。本文分别研究了基于阵元失配误差低阶统计量的固定权和变加权最小二乘波束形成器设计,给出了两种波束形成器的相关设计理论。理论和仿真分析表明,在小误差条件下,低阶统计量法所设计的波束形成器仍保持与概率密度法相当的性能。     

基于涡流场有旋分量的磁声电导率重建方法*

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗功能成像和超声技术高空间分辨率的优点。重建涡流场有旋分量的模值可以避免洛伦兹力的散度在边界处的奇异性、能够获得分辨率更好的电导率图像。本文对涡流场有旋分量的方向进行了分析,对格林函数解的积分项进行化简,提出一种基于涡流场有旋分量模值的电导率重建方法。为了验证新方法的正确性,我们使用电导率具有空间分布的两种模型进行了数值模拟,并使用新方法快速地重建得到高精度的电导率分布。     

圆形阵列无线传感器的鸟鸣声检测方法*

针对海岛湿地自然保护区鸟类等发声动物监测困难的问题,开发了基于物联网的圆形阵列无线传感器实时在线监测系统。鉴于保护区现场环境条件的特殊性,为保障传感器系统在野外长期稳定运行,需减少无鸣声数据的传输量来减轻系统负担,该文提出了基于子带能量谱熵比的动态双门限鸟类鸣声端点检测算法,对监测数据的有效鸣声段检测后实时回传到云平台。经过仿真和野外实测数据对比了不同信噪比下的鸣声检测性能,结果表明在暴风雨、风浪等海岛自然环境噪声下,鸟鸣声端点检测算法的准确率达90%以上,基本可实现海岛环境中的有效鸣声端点检测,提升了圆形阵列无线传感器系统的可靠性。     

一种基于多普勒频移的被动合成孔径声纳探测方法*

由于自主小平台声纳孔径有限,对声纳探测的分辨率的提高有所限制。小平台的机动可以有效的与声纳探测方法相结合来提高声纳探测性能。针对这一特点,提出一种基于多普勒频移技术的被动合成孔径声纳探测方法。该方法根据自主小平台的机动所引起声纳的接收信号多普勒频移的变化,进行目标的频率与方位联合估计。本文将自主小平台的机动引入到波束形成技术当中形成一种新的被动合成孔径技术。数值仿真表明,该方法可以有效的进行目标方位估计,并且获得较高的方位分辨率,改善了自主小平台的探测性能。     

采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。     

声辐射阻测量系统设计及测量精度影响因素分析*

在噪声控制领域,声辐射阻是一个重要的声学变量,在产品的设计阶段,可以通过改变结构表面形状来改变结构的声辐射阻抗,从而达到降噪的目的。本文基于集中参数模型,设计了测量设备,搭建了实验测量系统,并通过对无限大障板上圆形活塞声源的声辐射阻的测量对影响实验测量结果的因素进行了研究,之后对消音器入口处辐射阻进行了测量。测量结果表明:该实验测量系统具有操作简单,测量方便快捷,测量结果精度高等特点,可用于确定结构表面声辐射阻矩阵。     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

用于迷你无人飞行器探测的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器研制

针对迷你无人飞行器(mini-UAV)探测难度大的问题,仿真设计并制作了谐振频率接近mini-UAV噪声特征频率的硅基微机电系统(MEMS)轮形振膜,结合精密机械加工制作了光纤法布里-珀罗干涉式声传感器。测试结果表明,该光纤声传感器的谐振频率为7.279 kHz,与仿真结果基本一致,其在频率为7 kHz声波正入射的条件下的灵敏度为1.8 V/Pa,信噪比为71 dB,最小可探测声压为99μPa/Hz^0.5。值得强调的是,该声传感器对声波的响应呈现“8”字形的方向依赖性,表明其具有识别声源方向的能力。进一步在户外测试了该光纤声传感器对mini-UAV的探测能力,结果表明,声传感器能够在65 m的范围内探测到mini-UAV噪声,其探测距离是商用驻极体声传感器的3倍左右。所研制的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器为解决实践中mini-UAV探测难的问题提供了一种简单有效的工具。     

大孔径声全息密集阵列的阵元数量去冗余方法

大孔径密集声全息阵列是实现对非平稳噪声成像的有效手段,通过现场快速成像可以掌握声场分布的动态特征。增加声阵列的孔径和阵元密度是提高近场声全息成像性能的主要措施,但随着声阵列阵元数量的增加,声压采集数据量增大,全息运算速度降低,全息成像动态性能下降,不利于现场即时成像分析。研究表明,在一定信噪比条件下,盲目增加阵元数量并不一定能提高近场声全息性能,为此,本文针对密集声全息阵列的阵元数量冗余问题进行研究,提出最优阵元数量估算方法,并采取去冗余处理。本文仿真和实验验证表明:针对一定信噪比条件下的密集阵列去冗余方法实际有效,可以在不降低近场声全息成像性能的前提下,降低运算量,提高全息成像速度,对于非平稳噪声的现场声全息成像测试具有实用意义。     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

小孔阵列式太阳敏感器的光学系统设计

微型数字式太阳敏感器光学系统由APS CMOS图像传感器和基于MEMS工艺的小孔阵列式光线引入器组成。图像传感器的分辨率为1024×1024pixel,像素尺寸为10μm×10μm;光线引入器具有微小孔阵列结构,小孔为方形孔,30×30阵列,尺寸为60μm×60μm,间距为250μm。光线引入器采用了MEMS工艺的掩模板制备工艺。针对所设计的光学系统计算了曝光时间,并在此基础上进行了地面成像实验。实验结果表明,光学系统设计合理,保证了敏感器所具有的高精度和大视场。     

三维空间非同步测量高分辨率声成像方法

为解决三维空间中声源成像分辨率低的问题,提出一种基于非同步测量的三维空间声成像方法。该方法首先通过移动球形传声器阵列扫描空间分布的声源,然后利用非同步测量技术近似得到大孔径、高密度的传声器阵列测量结果,最后通过传统波束形成算法成像。仿真及实验结果表明,该方法与单次测量下的波束形成方法相比,聚焦性能更好,空间分辨率高,可实现三维空间中声源分布的高分辨率成像;同时,该方法成像结果可替代多阵列的同步测量结果,无需参考传声器,避免了使用参考传声器在增加通道数量以及空间布置问题上的局限性。     

提高成像分辨率的远场多孔声全息方法

针对远场声全息成像分辨率较差的问题,提出多孔声全息方法。利用多个小型传声器阵列进行优化布置,可以有效地提高分辨率,达到等效大阵列的声场可视化效果。首先推导了空间多孔加窗对远场Kirchhoff衍射积分声全息带来的干涉叠加效应;然后对主瓣宽度和旁瓣高度进行了定量计算,阐述了多孔优化布置方法,实现了旁瓣抑制条件下的分辨率最优;最后利用双音箱实验,验证了多孔声全息的可行性和理论分辨率,证明了多孔声全息方法的有效性。研究表明,多孔声全息的干涉叠加方法可以有效提高远场测量的重建分辨率,多孔声全息的优化设计方法可以实现旁瓣抑制条件下的分辨率最优。     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

基于旋转式反射镜的飞行视觉系统设计

在MEMS麦克风贴片工艺中,真空吸嘴吸取MEMS芯片以后需要进行芯片位姿的精确校正。为实现高速高精度贴片功能,提出了一种基于旋转式反射镜的飞行视觉系统,该方案利用齿轮齿条将吸嘴的升降运动转化为反射镜的旋转运动,通过设计齿轮参数,实现反射镜不干涉吸嘴的拾放功能。当反射镜旋转到与水平位置夹角呈45°时,视觉系统可以获得MEMS芯片的静止的清晰图像,CCD相机采集一幅图像后,在贴片头飞行的过程中,控制系统完成MEMS芯片的位置和角度的校正。实验结果表明,该系统可以获取高质量MEMS芯片图像。该系统结构简单紧凑,成像无失真,不限制贴片头的运动轨迹,显著提高了MEMS芯片的贴片质量和贴片效率,可广泛地应用于贴片机系统中。     

超声驻波波面的激光相关成像

本文利用傅氏光学概念分析激光通过声驻波后的远场光场,不但被分解成空间频谱,而且在空间频谱中又有时间频谱。以此为依据,分析了超声驻波成稳定像的原理和过程:通过时间互相关过程,得出不同空间频谱中同时间频率光的非零相关值;再由不同时间频率的非相干光进行强度线性叠加,最后形成超声驻波波面的稳定像。从而澄清了声驻波成像中的一些理论上的混淆,找到了成像的新途径,实验上也得到了证实。     

传声器阵列对高频弱声源的声成像识别方法

研究了传声器阵列对高频弱声源的识别定位方法。该方法根据高频声源的指向性和阵列探测特性等特点,提出了利用信噪比加权方法提高有效阵元对声成像的贡献,根据信噪比的大小对每个阵元添加不同的权值,可以显著提高传声器阵列对高频弱声源的声像清晰度。仿真分析了阵元加权和不加权两种方法对阵列声成像结果的影响,以某型号笔记本电脑电路板噪声为对象进行的实验表明,在阵列测量中充分利用有效阵元信号可以实现对声压级低达10~20dB的微弱噪声源的精确测量。