[发明专利]一种基于参数激励的声学信号增强器

说明书

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。

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：