用于相控陣聲學(xué)系統(tǒng)的換能器的制造方法
【專利摘要】一種換能器包括基座、喇叭狀件以及中心元件。喇叭狀件包括第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座延伸并且具有周界，該周界限定換能器的大體平坦的正面，喇叭狀件限定在喇叭狀件的第一端部和第二端部之間沿喇叭狀件表面的喇叭狀件長度。中心元件包括第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座沿喇叭狀件的縱向軸線延伸，中心元件限定在中心元件的第一端部和第二端部之間沿中心元件表面的中心元件長度，中心元件長度與喇叭狀件長度大體相等。
【專利說明】用于相控陣聲學(xué)系統(tǒng)的換能器
【背景技術(shù)】
[0001]傳統(tǒng)聲雷達系統(tǒng)采用定向聲波檢測諸如風(fēng)速之類的大氣現(xiàn)象。通過將聲束以多個方向引導(dǎo)到大氣中，并且測量從大氣中的紊流和溫度變化返回的回波的多譜勒偏移，可準確地估計風(fēng)速和其它大氣現(xiàn)象。
[0002]當前使用的主要類型的聲雷達系統(tǒng)是單站相控陣聲雷達系統(tǒng)。單站聲雷達發(fā)出聲束，并且檢測來自單個位置的聲束反射。通過聲換能器的陣列的使用，相控陣單站聲雷達將波束定向在不同方向上，并且對于來自這些方向的回波是靈敏的。這些換能器構(gòu)造成以不同相位組發(fā)射和接收，從而如希望的那樣，對發(fā)射聲束和靈敏度區(qū)域進行定向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在單站相控陣聲雷達系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)換能器的例子表明在圖1A和IB中。換能器10包括喇叭組件105，該喇叭組件105經(jīng)由諸如螺釘之類的緊固件聯(lián)接到后部帽蓋107。喇叭組件105的內(nèi)表面S包括幾何特征111，這些幾何特征111構(gòu)造成以最小方向式樣分布由換能器發(fā)射的聲。換能器10也包括在印刷電路板109上安裝的連接器110，該連接器110構(gòu)造成將換能器10電連接到與聲雷達系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備上。
[0004]然而，換能器(如在傳統(tǒng)單站相控陣聲雷達系統(tǒng)中使用的那些換能器)具有各種缺陷。在聲雷達系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)換能器已經(jīng)典型地適于來自其它用途。在一種布置中，將喇叭型壓電聲頻高頻揚聲器用作在聲雷達系統(tǒng)中的換能器，并且在大約四至五千赫茲的頻率下操作。然而，這些換能器具有對于它們在相控陣用途中的性能有害的多個特性。
[0005]為聲頻用途而優(yōu)化的傳統(tǒng)換能器設(shè)計成按大體非定向方式操作，以便影響聲頻揚聲器系統(tǒng)，該聲頻揚聲器系統(tǒng)可在最寬可能范圍的位置中舒適地傾聽。相反，相控陣聲雷達系統(tǒng)典型地構(gòu)造成在偏離與換能器陣列的平面相垂直的軸線達大約15度的方向上發(fā)射聲。使換能器超越這個范圍發(fā)射顯著的能量沒有好處，并且這樣的發(fā)射事實上可通過影響在接近垂直于目標波束方向的角度處的寄生發(fā)射能量和接收靈敏度，而降低相控陣系統(tǒng)的性能。
[0006]另外，為聲頻用途而優(yōu)化的傳統(tǒng)換能器設(shè)計成具有在操作頻率范圍外的諧振頻率，或者構(gòu)造成具有高阻尼設(shè)計，該高阻尼設(shè)計在其諧振頻率處具有弱波峰，以便在頻率范圍上用一致強度最忠實地再現(xiàn)音樂信號中存在的變化頻率。相反，相控陣設(shè)備典型地旨在在相當窄范圍的聲頻率或波長上操作。
[0007]此外，在傳統(tǒng)換能器的正面上發(fā)射相位的測量表明，換能器在其正面上可具有相位的極端變化。到達傳統(tǒng)換能器的表面上的變化位置的聲的相位變化的原因，通過觀察由到達這些變化位置的聲能跟隨的路徑將是顯然的。例如，圖1C示出了傳統(tǒng)換能器10的橫截面。換能器10包括振動膜，該振動膜將大體封閉腔室劃分成兩個空腔。一個空腔116 (位于后部側(cè))完全封閉，并且不會將聲能發(fā)射到環(huán)境中。第二空腔108具有小開口，這些小開口通到喇叭狀件105的狹窄端部中。從狹窄端部運動到換能器10的出口，喇叭狀件空腔的橫截面逐漸擴展到換能器正面的整個尺寸的開口。隨著到達換能器10的敞開發(fā)射正面，普通幾何形狀由橫截面面積的按指數(shù)規(guī)律增大而產(chǎn)生。橫截面的這種逐漸增大會有效地耦合來自約束外罩的聲能，其中，它產(chǎn)生到無約束自由空氣環(huán)境。
[0008]到達換能器10的中心的聲跟隨從喇叭狀件的狹窄端部到敞開正面F的中心的直線路徑113。到達換能器喇叭狀件的周界附近的聲跟隨顯著較長路徑112，該顯著較長路徑112近似跟隨喇叭狀件105的壁的曲線。聲的速度在給定溫度下在自由空氣中是恒定的。因此，比波前到達喇叭狀件的外周界附近顯著快地，聲的波前到達在喇叭狀件的中心處的換能器的出口平面。由于聲在兩個路徑上以相同速度傳播，所以從換能器10發(fā)射的波前的相位在換能器10的發(fā)射平坦的正面F上將是顯著不均勻的。
[0009]相反，當從陣列表面發(fā)射的聲的相位關(guān)于沿陣列表面上的第一軸線測量的位置連續(xù)和線性地變化(該第一軸線是波束主發(fā)射軸線到在陣列表面處的平面上的投影)并且沿與這個第一軸線相垂直的軸線測量是均勻的時，相控陣設(shè)備最佳地操作。這種條件使在希望波束方向上的發(fā)射能量和接收靈敏度最大，并且使在不希望的方向上的發(fā)射能量和接收靈敏度最小。作為實際問題，對于可在多個不同波束方向上操作的相控陣系統(tǒng)，當來自相控陣中的各個換能器的每一個的聲發(fā)射在該單獨換能器的表面上發(fā)射最均勻可能的相位的聲時，最好地接近這種條件。
[0010]與傳統(tǒng)換能器相反，本發(fā)明的實施例涉及一種用于相控陣聲學(xué)系統(tǒng)的換能器。在一種布置中，換能器包括中心部件，該中心部件布置成中斷通到出口平面的中心的傳統(tǒng)直線路徑。喇叭狀件的外形也構(gòu)造成適應(yīng)中心部件的幾何形狀。相應(yīng)地，盡管換能器的敞開橫截面面積保持是按指數(shù)規(guī)律的，而不是具有一系列外徑增大的環(huán)形截面(如在傳統(tǒng)換能器中發(fā)現(xiàn)的那樣)，但它包括一系列增大平均直徑和增大總面積的環(huán)形截面，從而喇叭狀件的敞開橫截面面積按指數(shù)規(guī)律增大。因此，由行進到喇叭狀件的周界的聲傳播的距離與由到達喇叭狀件中心附近的聲傳播的距離大體相等。到達換能器喇叭狀件的正面的聲的波前的相位是大體一致的，這改進了相控陣設(shè)備的性能。
[0011]在一種布置中，換能器構(gòu)造成具有在操作頻率附近的諧振頻率，以便比傳統(tǒng)換能器提供在發(fā)射聲方面的比較大效率和在聲接收方面的比較高靈敏度。在一種布置中，中心部件由支撐結(jié)構(gòu)支撐，該支撐結(jié)構(gòu)不會顯著地阻礙聲穿過中心部件與喇叭狀件的外部部分之間的環(huán)形截面的傳播。在一種布置中，支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造成三輻條狀元件，這些三輻條狀元件薄得足以不顯著地影響聲傳播。這些元件的目的是支撐中心部件，同時使對換能器的聲學(xué)性能的影響最小。
[0012]在一種布置中，當陣列作為相控陣定向聲接收器操作時，通過接收靈敏度的方向性和偏離軸線的偽接收的衰減的類似和對應(yīng)改進，將使通過陣列的聚焦聲束的發(fā)射匹配，該陣列裝有以上所描述的換能器。
[0013]盡管換能器在聲雷達設(shè)備的上下文中詳細地描述，但應(yīng)該注意，可以使用包括革新特征的類似、甚至相同的換能器，以便改進在其它用途中相控陣的性能，如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的定向聲頻系統(tǒng)。
[0014]在一種布置中，換能器包括基座、喇叭狀件以及中心部件。喇叭狀件包括第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座延伸并且具有周界，該周界限定出換能器的大體平坦的正面，喇叭狀件限定出在喇叭狀件的第一端部和第二端部之間沿喇叭狀件表面的喇叭狀件長度。中心部件包括第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座沿喇叭狀件的縱向軸線延伸，中心部件限定出在中心部件的第一端部和第二端部之間沿中心部件表面的中心部件長度。中心部件長度與喇叭狀件長度大體相等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]上述和其它目的、特征及優(yōu)點由本發(fā)明的具體實施例的如下描述將是顯然的，如在附圖中示出的那樣，在附圖中，類似附圖標記貫穿不同視圖指相同部分。附圖不必按比例，重點放在說明本發(fā)明的各個實施例的原理上。
[0016]圖1A示出了在聲雷達設(shè)備中使用的傳統(tǒng)換能器的立體圖。
[0017]圖1B示出了圖1A的換能器的側(cè)視圖。
[0018]圖1C示出了圖1A的換能器的側(cè)視截面圖。
[0019]圖2A示出了聲雷達設(shè)備的立體圖，該聲雷達設(shè)備具有換能器陣列。
[0020]圖2B是圖2A的聲雷達設(shè)備的第二立體圖。
[0021]圖2C是圖2A的聲雷達設(shè)備的俯視圖。
[0022]圖2D是圖2A的聲雷達設(shè)備的截面?zhèn)纫晥D。
[0023]圖2E是圖2A的聲雷達設(shè)備的電子設(shè)備的示意圖。
[0024]圖2F是流程圖，示出了用于聲雷達設(shè)備的處理技術(shù)。
[0025]圖3A示出了根據(jù)一種布置的換能器的立體圖。
[0026]圖3B示出了圖3A的換能器的側(cè)視圖。
[0027]圖3C示出了圖3A的換能器的俯視圖。
[0028]圖3D示出了圖3A的換能器的第一側(cè)截面。
[0029]圖3E示出了圖3A的換能器的第二側(cè)截面。
[0030]圖3F示出了圖3A的換能器的第三側(cè)截面。
[0031]圖4A示出了換能器陣列組件的視圖，該換能器陣列組件使用傳統(tǒng)換能器。
[0032]圖4B示出了圖4A的陣列的三個換能器的相交部分。
[0033]圖4C示出了換能器陣列的視圖，該換能器陣列使用在圖3A中所示出的換能器。
[0034]圖5A示出了根據(jù)一種布置的換能器的立體圖。
[0035]圖5B示出了圖5A的換能器的側(cè)視圖。
[0036]圖5C示出了圖5A的換能器的俯視圖。
[0037]圖不出了圖5A的換能器的第一側(cè)截面。
[0038]圖5E示出了圖5A的換能器的第二側(cè)截面。
[0039]圖6是聲的相位變化的、來自實驗測量數(shù)據(jù)的曲線圖，該聲到達圖1A的換能器的喇叭狀件的正面。
[0040]圖7是聲的大體均勻相位的曲線圖，該聲到達圖3A的換能器的喇叭狀件的正面。
[0041]圖8A是對于圖1A的換能器作為偏離喇叭狀件軸線的角度的函數(shù)的聲強度的變化的、來自實驗測量數(shù)據(jù)的曲線圖。
[0042]圖8B是對于圖3A的單個換能器作為偏離喇叭狀件軸線的角度的函數(shù)的聲強度的變化的類似曲線圖。
[0043]圖SC是對于圖1A的換能器作為操作頻率的函數(shù)的聲強度的、來自實驗測量數(shù)據(jù)的曲線圖。[0044]圖8D是對于圖3A的單個換能器的類似曲線圖。
[0045]圖9A是信號強度相對于用于陣列的發(fā)射角的、基于理論建模的曲線圖，該陣列由圖1A的換能器組成。
[0046]圖9B是信號強度相對于用于陣列的發(fā)射角的、基于理論建模的曲線圖，該陣列由圖3A的換能器組成。
[0047]圖1OA是來自實驗測量數(shù)據(jù)的曲線圖，示出了對于由圖1A的換能器組成的陣列，信號強度相對于用于波束的主要部分的位置的等高線圖。
[0048]圖1OB是類似曲線圖，示出了對于由圖3A的換能器組成的陣列，信號強度相對于用于波束的主要部分的位置的等高線圖。
[0049]圖1lA是來自實驗測量數(shù)據(jù)的曲線圖，示出了對于由圖1A的換能器組成的陣列的偏離-軸線或側(cè)-瓣發(fā)射，信號強度相對于位置的等高線圖。
[0050]圖1lB是類似曲線圖，示出了對于由圖3A的換能器組成的陣列的偏離-軸線發(fā)射，信號強度相對于位置的等高線圖。
[0051]圖12A是對于在典型測量地點處使用圖1A的換能器的聲雷達設(shè)備，百分比數(shù)據(jù)捕獲相對于高度的曲線圖。
[0052]圖12B是對于在相同地點和相同時間段處使用圖3A的換能器的聲雷達設(shè)備的相
同信息。
[0053]圖12C是對于圖12A和12B的數(shù)據(jù)集，用于圖3A的換能器的數(shù)據(jù)捕獲相對于高度的百分比增長。
【具體實施方式】
[0054]換能器包括喇叭狀件和中心部件，該中心部件構(gòu)造成中斷從換能器中心到出口平面的聲路徑。喇叭狀件的外形也構(gòu)造成適應(yīng)中心部件的幾何形狀。相應(yīng)地，當換能器的敞開橫截面面積保持是按指數(shù)規(guī)律的時，它包括一系列增大平均直徑和增大總面積的環(huán)形截面，從而喇叭狀件的敞開橫截面面積按指數(shù)規(guī)律增大。因此，由行進到喇叭狀件的周界的聲傳播的距離與由到達喇叭狀件中心附近的聲傳播的距離大體相等。到達換能器喇叭狀件的正面的波前的相位是大體均勻的，這改進了相控陣設(shè)備的性能。
[0055]圖2A至2D示出了相控陣單站聲雷達設(shè)備200的布置，該相控陣單站聲雷達設(shè)備200具有由各個聲學(xué)換能器204構(gòu)成的陣列202。換能器10布置成與電子和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)205電通信，該電子和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)205構(gòu)造成驅(qū)動換能器204以在大致水平方向上發(fā)射相控陣聲束206,如在圖2D中所不。這些聲束206撞擊在固體光滑表面上,該固體光滑表面稱為聲反射鏡或反射鏡208，該聲反射鏡或反射鏡208使聲束206大致向上反射,作為反射聲束 210。
[0056]反射聲束210撞擊在上方大氣中的紊流和溫度變化上。來自這些聲束的聲能的一些沿相同路徑反射回，作為外出聲束210和206，這些外出聲束210和206返回到相控陣202中的換能器204，在該處它們由電子包205的接收部件檢測。這些部件205安裝在外殼212中，該外殼212支撐各個部件，并且該外殼212也可以用來阻止來自不希望的方向的雜散聲發(fā)射和接收。
[0057]為了使聲雷達設(shè)備200在有降水的情況下測量風(fēng)速和風(fēng)向，外殼構(gòu)造成保護換能器204的陣列202免于任何降水，該降水可能永久地損害換能器204或臨時干擾它們的操作。應(yīng)該注意，以上描述的布置僅作為例子而提供，在該布置中，陣列202由外殼212保護免于收到各個要素，并且在該外殼212中，反射鏡208用來反射來自大致水平路徑206的聲束，這些聲束從陣列發(fā)射到該大致水平路徑206中、進入大致豎向路徑210中。陣列202可按各種方式保護免受由降水造成的損壞。
[0058]陣列100中的換能器204在發(fā)射模式中由電子包205驅(qū)動，并且在接收模式中由電子包205檢測和評估。圖2E示出了在一種布置中電子包205的示意代表。在操作期間，電子包205交替地作為發(fā)射機和接收機而操作。例如，在初始階段中，電子包205構(gòu)造成將聲信號發(fā)射到空氣中，并且在緊在第一階段之后的第二階段中，電子包205構(gòu)造成接收、分析及記錄進入信號，特別是從環(huán)境反射回的發(fā)射信號的回波。
[0059]在圖2E中示出的電子包205的部件包括硬件和軟件元件，這些硬件和軟件元件的功能可按各種方式實施。例如，元件可構(gòu)造成物理電子硬件、控制器和/或信號處理計算機，該電子硬件、控制器和/或信號處理計算機構(gòu)造成進行信號發(fā)射以及接收、或兩者的組
八
口 ο
[0060]在一種布置中，控制部件221 (如處理器和存儲器)配置開關(guān)，如多極開關(guān)或切換網(wǎng)絡(luò)224，以將陣列202的換能器204通過發(fā)射放大器223連接到信號源222。信號源222為換能器204的每一個提供適當相控的信號，以使陣列202在特別是大致向上方向上發(fā)射聚焦聲束210 (圖2D)。緊在這種發(fā)射之后，控制部件221配置切換網(wǎng)絡(luò)224，以將陣列202的換能器204通過接收放大器225連接到信號轉(zhuǎn)換和分析部件226。這種接收模式構(gòu)造使用相控陣技術(shù)設(shè)置，以使在與發(fā)射聲束210 (圖2D)的方向相同的方向上的靈敏度最大。信號轉(zhuǎn)換器和分析器226分析返回回波的頻譜性質(zhì)，以便估計在設(shè)備200上方在各個高度處的大氣性質(zhì)，如下面將進一步描述的那樣。在分析接收數(shù)據(jù)之后，電子包205可使用存儲元件227存儲信息，并且/或者使用報告部件228為用戶傳輸、報告、或顯示接收的數(shù)據(jù)。
[0061]設(shè)備200主要對于沿聲束路徑210的空氣速度是靈敏的。沒有用來沿單個聲束方向由回波估計水平風(fēng)速或風(fēng)向的直接方法。相應(yīng)地，控制部件221可構(gòu)造成順次地調(diào)整聲束210的發(fā)射方向和對于返回回波最大靈敏度的方向。至少三個聲束方向用來解出水平風(fēng)速、水平風(fēng)向以及豎向風(fēng)速。
[0062]在其中使用換能器204的示例性設(shè)備200中，設(shè)備200發(fā)射三個聲束，這三個聲束在由120度方位角分離的三個方向上以約11度從豎向基準207 (圖2D)傾斜。在一種布置中，技術(shù)可例如沒有限制地應(yīng)用于其它聲雷達設(shè)備，在該聲雷達設(shè)備中，將單個聲束更準確地豎向發(fā)射，并且在該聲雷達設(shè)備中，第二和第三聲束方向以約15度從豎向基準傾斜，并且以大約90度的方位角彼此分離。
[0063]通過在三個不同方向上發(fā)射聲束，并且在三個不同方向上估計徑向速度，可應(yīng)用向量分析技術(shù)，以抽取水平風(fēng)速和風(fēng)向。也可能的是，在多于三個方向上發(fā)射聲束，第四和更高編號的聲束方向提供冗余信息，該冗余信息可用來檢查和改進風(fēng)速估計的精度，盡管由在僅三個聲束方向上拍攝大量照片(即，照片是聲發(fā)射和返回聲數(shù)據(jù)的取樣)的較簡單手段可得到顯著的類似好處。
[0064]來自任何單獨照片的數(shù)據(jù)可能污染有噪聲，并且在感興趣的任何特定高度處，沒有如下保證:感興趣的信號相對于噪聲將具有足夠的強度從而是有用的，或者的確完全被檢測到。相應(yīng)地，傳統(tǒng)聲雷達設(shè)備一般不基于單組三個照片報告近-即刻的狀態(tài)，該單組三個照片可在大致五秒內(nèi)完成。而是，聲雷達設(shè)備典型地基于在至少三個方向的每一個上多個照片的平均值而報告大氣狀態(tài)。例如，數(shù)據(jù)可以在十分鐘間隔上平均，該十分鐘間隔包括在三個方向的每一個上的大約一百個照片。
[0065]圖2F是流程圖300，該流程圖300示出了用于以上所描述的聲雷達設(shè)備200的示例性處理技術(shù)。聲雷達數(shù)據(jù)例如在方塊或十分鐘的持續(xù)時間中處理(302)。在這個時段期間，在三個聲束方向的每一個上重復(fù)拍攝(304)。如以上描述的那樣,對于每個方向，發(fā)射定向聲脈沖或聲束210 (306)，并且隨后設(shè)備200構(gòu)造成記錄來自環(huán)境的回波、或聲反射(308)。
[0066]聲束210行進到特定高度的時間、以及任何回波從該高度返回到設(shè)備的行進時間，取決于高度和聲速。相應(yīng)地，如在方塊310處表示的那樣，返回信號可分解或窗口取樣成與在設(shè)備200上方的不同高度處的大氣狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的各段。
[0067]隨后，對于每個窗口取樣段312,聲雷達設(shè)備200將快速傅里葉變換應(yīng)用于這個窗口取樣數(shù)據(jù)(314)，以將時序信號轉(zhuǎn)換到頻域中，從而可測量返回信號的多譜勒偏移。因為對于在這樣的轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的原因，相比于如果將突然或“boxcar (矩形函數(shù))”窗口取樣應(yīng)用于數(shù)據(jù)的情形，如果將某種形式的漸變窗口取樣(例如海明窗，HammingWindow)應(yīng)用于數(shù)據(jù)將得到更準確的頻譜，而沒有窗口取樣過程的人工產(chǎn)物。
[0068]對于在特定高程處的單獨拍攝的生成頻譜的特性可概括為多譜勒頻移、信號水平以及信噪比(SNR)。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的技術(shù)可用來消除從固定目標返回的多譜勒偏移回波的影響(316)。在每個高程處對于每個聲束方向，可計算多譜勒偏移，如在方塊318,320中表示的那樣。
[0069]最后，在已經(jīng)過去十分鐘之后，可計算在每個高程處用于每個聲束方向的平均多譜勒偏移。使用傳統(tǒng)技術(shù)，基于信號強度、噪聲強度以及SNR可以在平均值中將對于在特定平均值中使用的各個照片的各個頻移加權(quán)(方塊322)。使用傳統(tǒng)計算方法，平均頻移可用來計算水平風(fēng)速、風(fēng)向以及豎向風(fēng)速(方塊324)。
[0070]依據(jù)大氣狀態(tài)、要發(fā)聲的大氣的吸收性和反射性以及干擾噪聲源的存在(這些干擾噪聲源如蟋蟀、其它昆蟲、鳥以及人造噪聲源)，可以足夠清晰地接收待分析的更多或更少量的樣本。隨著從特定高度接收的可靠樣本的數(shù)量下降，將到達這樣的程度:數(shù)據(jù)的置信度不再足以提供在該高度處的風(fēng)速的可靠估計。
[0071]對于聲雷達設(shè)備200的另一個重要干擾源是在遠離目標軸線的方向上的聲波發(fā)射，這種聲波可以反射離開地面上的物體，并且返回到設(shè)備。由于相控陣過程的性質(zhì)，也發(fā)射與目標主聲束大致垂直定向的“側(cè)瓣”或聲束。設(shè)備200在這些接近水平方向上發(fā)射少得多的聲波，并且對于來自這些方向的接收聲波較不敏感。然而，相對于要反射聲波的大氣紊流的能力，固體物體反射聲波的比較好能力常常抵消這個好處，由此導(dǎo)致來自地面上的靜止物體的接收返回，這些接收返回與感興趣信號相比可能比較強。
[0072]盡管來自地面上的物體的這樣的‘固定回波’返回通?；貋矶鴽]有多譜勒偏移(其允許識別它們的性質(zhì))，但不是始終可以在有較強固定回波返回的情況下從大氣提取多譜勒偏移信息。既由于真實物理現(xiàn)象又由于頻率測量過程的數(shù)學(xué)限制，來自大氣和來自固定物體的返回頻譜都將顯得擴展成在頻域中的高斯曲線，而不是作為尖銳波峰顯現(xiàn)。盡管有在 2010 年 3 月 5 日提交的、標題為 “Method Of Detecting And Compensating ForPrecipitation In Sodar Systems”的共同待決申請12/748，141中公開的那些之類的技術(shù)(該申請的內(nèi)部通過參引全部包括在這里)，但可能到達這樣的程度:其中，感興趣信號的小波峰丟失在大得多的固定回波波峰的尾部中。
[0073]來自換能器陣列202的離軸‘側(cè)瓣’發(fā)射也可按復(fù)雜方式傳播，反射離開聲雷達設(shè)備200的內(nèi)部表面，并且或許也離開在設(shè)備附近在地面上的固體物體。這種能量的一些可能分散到大氣中，從運動空氣反射，并返回由設(shè)備檢測為多譜勒偏移信號。在一些情況下，這種能量可能跟隨足夠靠近主聲束210的路徑，從而電子包205將偽返回信號的頻譜與主返回信號的頻譜相結(jié)合，而將誤差、或偏差引入到主返回信號中，其可能未檢測出。
[0074]應(yīng)該注意,增大在主聲束的目標方向上的發(fā)射聲的絕對音量的任何手段,都將使來自大氣的返回信號相對于不是由聲雷達設(shè)備200本身產(chǎn)生的生物和人造噪聲源更強。也應(yīng)該注意，如以上討論的那樣，通過減小這樣的離軸發(fā)射的影響，相對于在不希望離軸或‘側(cè)瓣’方向上的音量而增大在目標主聲束方向上的聲束的音量的任何手段，也將改進設(shè)備的性能。
[0075]如以上示出的那樣，聲雷達設(shè)備200包括陣列200，該陣列200具有一組各個換能器204。在一種布置中，換能器204的細節(jié)提供在圖3A至3F中。例如，如在圖3A至3F中示出的那樣，換能器204包括基座240、喇叭狀件242以及中心元件244，該喇叭狀件242聯(lián)接到基座240，該中心元件244聯(lián)接到喇叭狀件242。
[0076]基座240在一種布置中包括電子部件,這些電子部件構(gòu)造成與聲雷達設(shè)備200的電子包205交換信號。例如，參照圖3D，基座240可包括壓電雙晶片結(jié)構(gòu)246，該壓電雙晶片結(jié)構(gòu)246構(gòu)造成響應(yīng)接收的電信號而振動，其離開靜止狀態(tài)的變形與施加到其兩根柔性電引線248上的電壓成比例。引線248在一種布置中布置成經(jīng)由連接器252與電子包205電通信，該連接器252安裝在對應(yīng)印刷電路板254上，該對應(yīng)印刷電路板254與基座240相關(guān)聯(lián)。雙晶片結(jié)構(gòu)246可如由粘合劑固定到錐形換能器膜250的頂點。這個錐形換能器膜250繞其周界夾持在夾持表面253與夾持表面255之間，該夾持表面253與喇叭狀件242相關(guān)聯(lián)，該夾持表面255位于基座240的后部帽蓋256上。
[0077]換能器204的操作頻率與彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)相比比較高，該彈簧質(zhì)量系統(tǒng)包括雙晶片結(jié)構(gòu)246的質(zhì)量、響應(yīng)錐形膜250的軸向撓曲的彈性。相應(yīng)地，雙晶片結(jié)構(gòu)246的振動耦合到錐形換能器膜250的錐形表面中。膜250的振動又將壓力變化誘導(dǎo)到喇叭狀件242的后表面與膜250的前正面之間的空腔260內(nèi)的空氣中。
[0078]喇叭狀件242構(gòu)造成使空腔260中的聲壓力的聲源阻抗與換能器204外面的自由空氣的較低阻抗相匹配。喇叭狀件242也構(gòu)造成將發(fā)射聲引導(dǎo)成沿所需方向，如在圖3F中表示的那樣。例如，參照圖3E，喇叭狀件242包括第一端部262和第二端部264，該第一端部262聯(lián)接到基座240，該第二端部264從基座240延伸并且具有周界266，該周界266限定出換能器204的大體平坦的正面。喇叭狀件242也限定出沿喇叭狀件242的第一端部262和周界266之間的喇叭狀件表面的喇叭狀件長度268。在一種布置中，喇叭狀件242包括支撐構(gòu)件267，該支撐構(gòu)件267從喇叭狀件242的第二端部264繞喇叭狀件的周界266向基座240延伸。
[0079]中心元件244也構(gòu)造成將發(fā)射的聲從空腔260沿所需方向引導(dǎo)，如在圖3F中表示的那樣。參照圖3E，中心元件244包括第一端部270和第二端部272，該第一端部270聯(lián)接到基座240上，該第二端部272從基座240沿喇叭狀件242的縱向軸線272延伸。中心元件244限定出中心元件長度276，該中心元件長度276沿中心元件244的第一端部270和第二端部272之間的中心元件表面延伸。在一種布置中，中心元件244由一組輻條支撐結(jié)構(gòu)245支撐，如由三個輻條245構(gòu)成的組支撐。輻條245在中心元件244與喇叭狀件242之間延伸，并且大體不干擾由聲跟隨的路徑，該聲由換能器204產(chǎn)生或接收。形成輻條支撐結(jié)構(gòu)245的材料可從各種材料中選擇。
[0080]如下面將描述的那樣，喇叭狀件242的大小和形狀、中心元件244的大小和形狀以及在喇叭狀件與中心元件244之間限定的空腔280的大小和形狀相對于相控陣操作的要求而優(yōu)化，并且構(gòu)造成提供波前，該波前在換能器204的大體平坦的正面處具有大體均勻的相位。
[0081]例如，喇叭狀件242構(gòu)造成具有約3.5英寸的高度282。與如在圖1A至IC中示出的傳統(tǒng)換能器中發(fā)現(xiàn)的約2.25英寸的比較短的喇叭狀件長度相比，這種比較長的喇叭狀件高度282使得聲以更加單向的方向式樣從換能器204發(fā)射。
[0082]在另一個例子中，中心元件長度276構(gòu)造成與喇叭狀件長度268大體相等。例如，參照圖3E，喇叭狀件長度268是約3^.英寸，并且中心元件長度276在約3.英寸與4.英寸
之間。在中心元件長度276與喇叭狀件長度268大體相等的情況下，將換能器204構(gòu)造成使在換能器204的平坦的發(fā)射正面上的各個點處到達的聲的相位的變化最小。
[0083]例如，圖3F示出了換能器204的橫截面。從換能器204的平坦的正面285的周界266發(fā)射的聲跟隨喇叭狀件內(nèi)表面268，如由路徑虛線290表示的那樣，并且從換能器204的中心區(qū)域發(fā)射的聲跟隨外表面中心元件長度276，如由路徑虛線292表示的那樣。因為沿表面268的長度構(gòu)造成與沿中心元件244的表面的長度276大體相等，所以喇叭狀件長度268的路徑290與中心元件長度276的`路徑292大體相等。因此，與傳統(tǒng)換能器10相t匕，從換能器204的整個正面285發(fā)射的波前的相位在換能器204的發(fā)射平坦的正面上將是大體均勻的(例如，從換能器204的周緣266發(fā)射的聲具有與在換能器204的中心部分附近發(fā)射的聲相同的相位角)。例如，圖6示出了在換能器10的陣列上方2英寸取得的相位測量。在這種構(gòu)造中的最小相位是-20度，并且最大相位是+86度，從而形成106度的最大相位差。圖7示出了在換能器204的陣列上方2英寸取得的相位測量。在這種構(gòu)造中的最小相位是-30度，并且最大相位是+22度，從而構(gòu)成僅52度的較小的最大相位差。
[0084]在一種布置中，喇叭狀件242的形狀和中心元件244的形狀構(gòu)造成使在與換能器204的軸線274大致相平行的方向上的聲發(fā)射最大，并且使在沿其它、非軸向方向的聲發(fā)射最小。例如，如在圖3E中示出的那樣，喇叭狀件242相對于縱向軸線274限定S形或S狀幾何形狀，因為喇叭狀件242從換能器204的中心部分到周緣266向外以錐形漸變。在另一個例子中，中心元件244構(gòu)造成具有大體錐形的第一端部270、大體錐形的第二端部272以及中間段275，該中間段275具有比第一端部20或第二端部272大的直徑。關(guān)于喇叭狀件242和中心元件244的這樣一種幾何構(gòu)造，腔室280的橫截面面積(如在喇叭狀件242與中心元件244之間限定的那樣)從基座240到周緣266按指數(shù)規(guī)律增大，以使換能器204的效率最大。[0085]對于諸如其中相控陣在單個頻率、或狹窄頻率范圍下正在操作的聲雷達之類的用途，換能器的以及作為整體的設(shè)備的效率可通過將換能器的諧振或自然頻率設(shè)置到操作頻率附近而最大化。傳統(tǒng)換能器(如對于聲頻音響設(shè)備優(yōu)化的換能器)設(shè)計成具有在感興趣的頻率范圍以上的操作頻率。這導(dǎo)致在全部操作頻率下較低、但相當均勻的效率，這最忠實地再現(xiàn)在寬頻率范圍上出現(xiàn)的信號，如音樂。
[0086]參照圖3E，空腔260的體積可影響在聲雷達設(shè)備200中所使用的換能器204的諧振頻率。在一種布置中，中心元件244構(gòu)造成調(diào)整空腔260的體積，從而換能器204的諧振頻率與聲雷達設(shè)備200的近似操作頻率大體匹配。例如，中心部分244的第二端部270限定大體V形橫截面，該大體V形橫截面相對于基座240具有大體平的中心部分基座294。借助于這樣一種構(gòu)造，中心部分244將空腔260的體積增大到約0.19立方英寸的體積，該體積比傳統(tǒng)聲學(xué)換能器的體積(例如，約0.03立方英寸的傳統(tǒng)體積)大。相應(yīng)地，V形橫截面和平的中心部分基座294使在聲雷達設(shè)備200的操作頻率附近的頻率下?lián)Q能器204的效率最大。例如，喇叭狀件242、中心部分244以及空氣空腔260 —起構(gòu)造成在約4，625Hertz的諧振頻率下振動，該空氣空腔260由第二端部270、喇叭狀件242進口的進口以及錐形膜250所限定，該諧振頻率與聲雷達設(shè)備200的近似4，500Hertz的操作頻率大體相等。
[0087]在一種布置中，中心元件244的幾何形狀可變化，以提高換能器204的操作特性。例如，在一種布置中并且參照圖3B和3D，中心元件244包括延伸部分296，該延伸部分296布置在中心元件244的第二端部272處，在該處，延伸部分296超越喇叭狀件242的周界266延伸。在一種布置中，延伸部分296超越喇叭狀件242的周界266延伸約0.375英寸的距離297。借助于這樣一種構(gòu)造，中心元件244將由換能器204提供的波形的振幅增大約
0.42dB，并且將由換能器204提供的波形的離軸振幅減小約3.6dB。盡管延伸部分296可按各種方式構(gòu)造，但在一種布置中，延伸部分構(gòu)造成具有大體鈍頭的D形橫截面。
[0088]返回圖3A，在一種布置中，換能器204的起作用的發(fā)射正面285的周界266的形狀構(gòu)造成在操作期間使關(guān)聯(lián)陣列202的起作用的發(fā)射面積最大。在一種布置中，喇叭狀件242的周界266構(gòu)造成連續(xù)系列的大體直線段298。例如，喇叭狀件242的周界266可限定大體六邊形形狀，如示出的那樣，或者可限定大體三角形、矩形、或正方形形狀。當布置為陣列202的部分時,換能器204使從陣列202的表面發(fā)射的聲的間斷最少,這些間斷由相對于各個換能器204在陣列202內(nèi)的空隙區(qū)域所引起。
[0089]例如，圖2A示出了傳統(tǒng)換能器10的陣列100。盡管換能器10的物理周界是六邊形的，并且以很小間隙拼接，但換能器10的起作用的發(fā)射平坦的正面是圓形形狀，內(nèi)接在拼接六邊形內(nèi)。因此，有多個大致三角形非起作用的區(qū)域116，在該處起作用的區(qū)域相交，如在圖4B中詳細示出的那樣。
[0090]相反，圖4C示出了換能器204的陣列202，其中，換能器204以緊密填實幾何形狀排列，如換能器的六邊形排列具有六邊形周界266。換能器204的起作用的發(fā)射平坦的正面基本上拼接成使得沒有任何間隙布置在相鄰換能器204之間(B卩，存在間隙是為組裝硬件提供的小孔，該組裝硬件將換能器204緊固到用于陣列202的支撐結(jié)構(gòu)中)。通過消除在陣列204中的非起作用的區(qū)域，使通過陣列203的不希望的離軸能量的發(fā)射最小。相應(yīng)地，發(fā)射聲束沿所需的軸線將相對更強，并且將使在其它方向上的不希望的偽發(fā)射最小。
[0091]如上所述的那樣，中心元件由三根輻條245支撐。這樣的描述僅作為例子?？墒褂萌魏螖?shù)量的輻條245。例如，圖5A、5B、5C以及示出了換能器204的另一種布置，其中，使用四根輻條245。將顯然的是，可使用其它數(shù)量的輻條，包括僅一根比較重的輻條。對于另一個例子，如圖5E所示，中心元件244可由穿孔薄板元件298支撐。在一種布置中，在薄板298中的穿孔是足夠的，從而對于聲的傳播不引入顯著障礙，并且薄板298的厚度和材料強度足以適當?shù)刂沃行脑?44。
[0092]如下提供實驗數(shù)據(jù)的描述，該描述相對于在圖1A至IC中所示出的傳統(tǒng)換能器10的操作來比較和對比換能器204的操作。
[0093]圖6示出了實驗數(shù)據(jù)，這些實驗數(shù)據(jù)示出了從傳統(tǒng)換能器10的平坦的發(fā)射正面發(fā)射的聲的相位。在試驗下的換能器組裝成在小陣列中的中心換能器，該小陣列包括七個換能器。在圖中的虛線圓圈120表示在陣列100中七個換能器10的位置。在這個陣列100中的全部換能器10都用均勻相位的單試驗信號驅(qū)動。實驗的目的是測量單個中心揚聲器的相位。然而，單個換能器10在其發(fā)射正面的各個位置上測量的聲發(fā)射特性由相鄰發(fā)射換能器10的存在而顯著地影響。
[0094]圖7示出了實驗數(shù)據(jù)，這些實驗數(shù)據(jù)示出了從換能器204的平坦的發(fā)射正面發(fā)射的聲的相位。注意，盡管換能器204的起作用的區(qū)域的周界包括一系列大體直線段(例如，換能器204限定例如六邊形形狀)，但它在圖7中示出為圓形，僅用于與圖6直接比較。
[0095]由在圖6和7中示出的數(shù)據(jù)顯然的是，從換能器204發(fā)射的聲的相位顯著地比傳統(tǒng)換能器10的均勻。對于傳統(tǒng)換能器10，相位測量從-20度的最小值到+86度的最大值而變化。從在由傳統(tǒng)換能器10占據(jù)的陣列中的六邊形區(qū)域的各個部分所發(fā)射的聲的相位在106度的范圍上變化。對于換能器204，相位測量從-30度的最小值到+22度的最大值而變化。在該相位范圍的這種情況下，變化較小，是52度。在換能器204上的測量的主要部分落在較小范圍中。
[0096]圖8A示出了來自傳統(tǒng)換能器10的實驗測量數(shù)據(jù)，示出了作為偏離換能器的中心線軸線的角度的函數(shù)而發(fā)射的聲的強度。將數(shù)據(jù)標準化到在換能器10的中心線軸線處的1.0的強度。
[0097]圖SB示出了對于換能器204的類似實驗測量數(shù)據(jù)。
[0098]如以上討論的那樣，在希望的主瓣聲發(fā)射與不希望的側(cè)瓣發(fā)射之間的高比值對于相控陣系統(tǒng)的性能是重要的。在希望的和不希望的方向上來自陣列100的發(fā)射受到來自陣列100內(nèi)的各個換能器10的發(fā)射的強度的直接影響。來自傳統(tǒng)換能器10的側(cè)瓣發(fā)射比在軸線上所需方向上的強度安靜大約19dB。換能器204的側(cè)瓣發(fā)射比在所需方向上的強度安靜大約26dB。因此，單獨因為這個原因，并且不考慮由換能器204的其它修改特性得到的另外改進，由換能器204建造的陣列的主瓣強度和側(cè)瓣強度之間的比值將比對于使用傳統(tǒng)換能器10建造的陣列100的同一比值好大致兩倍。
[0099]圖SC示出了對于均勻振幅和變化頻率的電輸入信號，傳統(tǒng)換能器10的實驗測量的聲強度的曲線圖。聲的強度是按來自試驗麥克風(fēng)的電壓輸出的任意單位。在所需的操作頻率下，傳統(tǒng)換能器10具有大約0.75麥克風(fēng)輸出伏特的聲強度。
[0100]圖8D示出了對于換能器204的強度的類似曲線圖，該換能器204由變化頻率的同一均勻振幅電信號驅(qū)動，并且使用同一麥克風(fēng)系統(tǒng)測量聲輸出。在所需的操作頻率下，換能器204具有大約1.6麥克風(fēng)輸出伏特的聲強度。[0101]對于在約4，500Hz的所需的頻率下輸入到換能器的給定輸入電壓，換能器204比傳統(tǒng)換能器10響亮大約6.5dB。
[0102]圖9A示出了使用傳統(tǒng)換能器10、作為偏離相控陣100的中心線的角的函數(shù)的聲強度的理論預(yù)測。在這個圖中，目標聲束角是11度，并且?guī)讉€單獨換能器10的理論模型的相控被調(diào)整，從而產(chǎn)生以這個希望11度角發(fā)射的主聲束121。在這個模型中，來自各個換能器10的每一個的聲發(fā)射被建模為點源，該源的發(fā)射圖案示出在圖SB中。這個模型是具有換能器10的陣列的合理近似，這些換能器10不具有均勻發(fā)射相位，并且這些換能器10不會在沒有如圖4B所示的三角形非起作用的區(qū)域116的情況下拼接成相控陣100。在這個模型中，在偏偏離軸線約九十度處不希望的側(cè)瓣122的強度比希望的主聲束的強度安靜大約14dB。
[0103]圖9B示出了理論預(yù)測，其中，將來自換能器204的每一個的聲發(fā)射建模成在換能器的起作用的區(qū)域上散布的多個點源。用來產(chǎn)生圖9B數(shù)據(jù)的模型在其它方面與用來產(chǎn)生在圖9A中示出的數(shù)據(jù)的模型相同。在圖9B中使用的替代模型提供由換能器204建造的陣列的合理近似，這些換能器204具有優(yōu)選實施例換能器的相位均勻性和優(yōu)良拼接配合性能。在這個模型中，不希望的側(cè)瓣322的強度比希望的主聲束321的強度安靜大約22dB。這種較低側(cè)瓣強度比在圖9A中示出的側(cè)瓣強度好2.33的因數(shù)。
[0104]圖1OA示出了由傳統(tǒng)換能器10建造的陣列100的主聲束發(fā)射圖案的曲線圖，這些傳統(tǒng)換能器10安裝到完整聲雷達設(shè)備中，該完整聲雷達設(shè)備包括外殼。這個發(fā)射圖案使用實驗設(shè)備測量，并且由實驗計算機控制，該實驗設(shè)備包括麥克風(fēng)陣列，這些麥克風(fēng)安裝在聲雷達設(shè)備上方的可運動結(jié)構(gòu)上，該實驗計算機對于在聲雷達設(shè)備上方的多個不同點收集信號強度數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)然后被后處理，從而產(chǎn)生示出的曲線圖，其中，曲線123代表相對于位置的相等信號強度的等值線。在這些曲線中的鋸齒段和缺口 125是由在數(shù)據(jù)收集和后處理技術(shù)中的不完美生成的人造產(chǎn)物，并且不表示設(shè)備的真實性能特性。與幾條曲線123的每一條對準的印刷數(shù)字表示按任意單位的信號的強度。由這種數(shù)據(jù)，顯然的是，希望的主聲束121的中心部分具有按任意單位大約30的強度。
[0105]圖1OB示出了其中使用換能器204的類似曲線圖，聲雷達設(shè)備200和實驗方法在其它方面大體相同。在這種數(shù)據(jù)中，顯然的是，希望主聲束321具有以任意單位大約75的強度。這構(gòu)成從換能器10到換能器204的8dB增大。
[0106]圖1lA示出了對于傳統(tǒng)換能器10的陣列，不希望的側(cè)瓣122的類似等高線圖。夕卜罩200可構(gòu)造成使不希望的側(cè)瓣聲束122衰減。為了將換能器204的影響與外罩200的影響區(qū)分開，在沒有圍繞換能器陣列的外罩200的情況下進行關(guān)于側(cè)瓣聲束122的測量。對于這個陣列，使用傳統(tǒng)換能器10，側(cè)瓣聲束122的強度按任意單位是大約10。這比對于使用如圖1OA所不的傳統(tǒng)換能器的陣列的主聲束121安靜大約9.6dB。
[0107]圖1lB示出了與在圖1lA中示出的數(shù)據(jù)相似的數(shù)據(jù)，唯一差別是，陣列202使用換能器204而組裝。在這種情況下，不希望的側(cè)瓣聲束322的強度按任意單位是大約16。這個聲束的強度按絕對值比由如圖1lA所示的傳統(tǒng)換能器產(chǎn)生的聲束大，但這個較大強度歸因于換能器204的整體較大強度。對于使用在圖1OB中表示的換能器204的陣列，這個側(cè)瓣聲束322的強度比主瓣聲束121安靜大約13.5dB。為了聲雷達設(shè)備的目的，主聲束121與側(cè)瓣聲束122的比值是重要的，而不是側(cè)瓣聲束的絕對強度。按這種標準測量，使用換能器204的側(cè)瓣322比來自傳統(tǒng)換能器10的側(cè)瓣122相對弱大約1.57倍。
[0108]在全部以上討論中，并且在圖6至12中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)中，已經(jīng)討論了作為揚聲器(就是說作為將電輸入轉(zhuǎn)換成聲輸出的裝置)的換能器204的布置的性能。對于在聲學(xué)換能器領(lǐng)域中的技術(shù)人員將顯然的是，換能器204當作為麥克風(fēng)(就是說作為將聲輸入轉(zhuǎn)換成電輸出的裝置)操作時，在效率、方向性以及相位均勻性方面可具有相對于傳統(tǒng)換能器10的類似改進性能。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步顯然的是，當作為麥克風(fēng)接收陣列操作時對于使用換能器204的相控陣列的操作的改進，將與當作為揚聲器發(fā)射陣列操作時以上詳細描述的好處相類似，并且這兩個好處可結(jié)合而形成甚至更大的整體好處。
[0109]圖12A示出了對于在現(xiàn)場試驗地點處操作的、使用傳統(tǒng)換能器10的聲雷達設(shè)備，相對于高度的百分比數(shù)據(jù)捕獲。圖12B示出了對于在同一地點處操作的、使用換能器204而其它相同的聲雷達設(shè)備200的相同數(shù)據(jù)?？赡茈y以使兩個聲雷達設(shè)備在同一地點處同時操作，因為來自一個設(shè)備的聲將干擾另一個的操作。但聲雷達設(shè)備的性能高度依賴于在其中它正在操作的時間和地方的聲學(xué)和大氣狀態(tài)。為了進行有效比較，將單元構(gòu)造成具有換能器204的設(shè)備操作兩分鐘，接著具有傳統(tǒng)換能器10的設(shè)備操作兩分鐘，每個單元輪流操作，直到得到統(tǒng)計有意義數(shù)量的樣本。
[0110]圖12C示出了在較低高度處兩個設(shè)備的性能大體相似。兩個設(shè)備高達100米的高度都捕獲超過95%的數(shù)據(jù)。在更高高度處，換能器204表現(xiàn)得一致地和顯著地好于傳統(tǒng)換能器10。例如，就在高度120至160米處的性能而論，換能器204的設(shè)備進行高于90%數(shù)據(jù)捕獲，而傳統(tǒng)換能器的設(shè)備不能實現(xiàn)。在這些高度處高于90%數(shù)據(jù)捕獲的性能對于風(fēng)資源估計中的用途是重要的(該設(shè)備設(shè)計成用于該風(fēng)資源估計)，因為這些高度覆蓋大多數(shù)風(fēng)力渦輪機的整個掃過區(qū)域。
[0111]盡管已經(jīng)具體地示出和描述了本發(fā)明的各個實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，其中可以進行形式和細節(jié)的各種變化，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的精神和范圍由所附的權(quán)利要求書所限定。
[0112]例如，如以上示出的那樣，換能器204用作聲雷達設(shè)備的一部分。這樣的表示僅作為例子。在一種布置中，換能器可用在其它陣列中、其它外殼中、其它聲雷達系統(tǒng)中以及除聲雷達之外的用途中。
【權(quán)利要求】
1.一種換能器,包括: 基座; 喇叭狀件，所述喇叭狀件具有第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座延伸并且具有周界，該周界限定出換能器的大體平坦的正面，喇叭狀件限定出在喇叭狀件的第一端部和第二端部之間沿喇叭狀件表面的喇叭狀件長度；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聯(lián)接到喇叭狀件，所述中心元件的第二端部從基座沿喇叭狀件的縱向軸線延伸，該中心元件限定出在中心元件的第一端部和第二端部之間沿中心元件表面的中心元件長度，中心元件長度與喇叭狀件長度大體相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，喇叭狀件長度和中心元件長度構(gòu)造成在換能器的大體平坦的正面處提供具有大體均勻相位的波前。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中: 喇叭狀件長度在約3英寸到4英寸之間；并且 中心元件長度在約31英寸到4^.英寸之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，喇叭狀件在喇叭狀件的第一端部與第二端部之間限定約3.5英寸的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，中心元件還包括延伸部分，該延伸部分設(shè)置在中心元件的第二端部處，延伸部分超越喇叭狀件的周界延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的換能器，其中，延伸部分限定大體D形橫截面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，中心部分的第二端部限定大體V形橫截面，該大體V形橫截面相對于基座具有大體平的中心部分基座。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的換能器，其中，喇叭狀件和中心部分構(gòu)造成使得換能器具有約4.5千赫茲的諧振頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，喇叭狀件的周界構(gòu)造成一系列連續(xù)的大體直線段。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的換能器，其中，喇叭狀件的周界限定出大體六邊形形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的換能器，其中，喇叭狀件的周界限定出大體矩形形狀。
12.—種聲雷達設(shè)備,包括: 外殼; 一組換能器，所述一組換能器由外殼承載，所述一組換能器中的至少一個換能器包括: 基座； 喇叭狀件，所述喇叭狀件具有第一端部和第二端部，該第一端部聯(lián)接到基座，該第二端部從基座延伸并且具有周界，該周界限定出換能器的大體平坦的正面，喇叭狀件限定出在喇叭狀件的第一端部和第二端部之間沿喇叭狀件表面的喇叭狀件長度；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聯(lián)接到喇叭狀件，所述中心元件的第二端部從基座沿喇叭狀件的縱向軸線延伸，中心元件限定出在中心元件的第一端部和第二端部之間沿中心元件表面的中心元件長度，中心元件長度與喇叭狀件長度大體相等。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中，喇叭狀件長度和中心元件長度構(gòu)造成提供在換能器的大體平坦的正面處具有大體均勻相位的波前。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中: 喇叭狀件長度在約3英寸到4英寸之間；并且 中心元件長度在約31英寸到英寸之間。
OO
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中，喇叭狀件在喇叭狀件的第一端部與第二端部之間限定約3.5英寸的高度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中，中心元件還包括延伸部分，該延伸部分設(shè)置在中心元件的第二端部處，延伸部分超越喇叭狀件的周界延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的聲雷達設(shè)備，其中，延伸部分限定大體D形橫截面。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中，中心部分的第二端部限定大體V形橫截面，該大體V形橫截面相對于基座具有大體平的中心部分基座。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的聲雷達設(shè)備，其中，喇叭狀件和中心部分構(gòu)造成使得換能器具有約4.5千赫茲的諧振頻 率。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的聲雷達設(shè)備，其中，喇叭狀件的周界構(gòu)造成一系列連續(xù)的大體直線段。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，在中心元件與喇叭狀件之間限定的腔室的橫截面面積從第一端部到第二端部按指數(shù)規(guī)律地增大。
【文檔編號】G10K11/20GK103582912SQ201280024429
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月20日
【發(fā)明者】N·拉懷特, A·黑斯廷斯-布萊克, L·曼弗雷迪, M·喬賓, W·L·薩斯 申請人:涅磐系統(tǒng)股份有限公司