[发明专利]一种基于参数激励的声学信号增强器

权利要求书

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。