本发明公开了一种定向声学传感器或声速麦克风,包括一个传感器框架结构,支撑装置,和悬浮体。其悬浮体用支撑装置安置于传感器框架中。悬浮体的特征尺寸小于最高频率的空气声波的波长。悬浮体能接收声波激励的空气三维运动。该三维运动被检测装置所测量。检测装置可以是光学检测装置,电磁检测装置,或静电检测装置。通过把两个或多个定向声学传感器布置成多维阵列,可以确定声波的声图像。
1.一种定向声学传感器,包括:一个传感器框架;一个支撑装置;和一个利用所述支撑装置悬挂在所述传感器框架上悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体,其特征尺寸小于空气中声波最高频率的波长,并且能够感应声波激发的空气三维运动,所述空气三维运动用来推导声波粒子的速度;其中,所述悬浮体的密度接近空气的密度,以便声波通过悬浮固体时,所述悬浮体能够完全跟随声波粒子的运动;所述定向声学传感器还包括一个检测装置,用来检测悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体感应声波激发的空气三维运动,从所述空气三维运动计算悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体的速度,并且从悬浮体的速度推导出声波的粒子速度。
2.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中所述悬浮体为球体。
3.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中所述悬浮固体从包括方形或椭圆形物体的组中选择。
4.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中,悬浮体的速度与声波的粒子速度之间存在线性关系。
5.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中悬浮体是一个空心薄壳物体。
6.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中悬浮体的速度按卡麦迪坐标系中的三个分量给予测量,所述定向声学传感器是一个矢量传感器。
7.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中悬浮固体的速度按卡麦迪坐标系中的一个分量给予测量,所述定向声学传感器是一个单轴传感器。
8.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中悬浮体的速度按卡麦迪坐标系中的两个分量给予测量,所述定向声学传感器是一个双轴传感器。
9.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中支撑装置包括有形支撑物。
10.根据权利要求9所述定向声学传感器,其中所述有形支撑物包括在三维空间中对称分布的一个或多个软绳。
11.根据权利要求9所述的定向声学传感器,其中所述有形支撑物包括在三维空间中对称分布的一个或多个软性楔形物。
12.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中所述支撑装置包括一个无形支撑。
13.根据权利要求12所述的定向声学传感器,其中无形支撑包括电场。
14.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中探测装置是一个光学探测装置。
15.根据权利要求1所述的定向声学传感器,其中探测装置是一个电磁探测装置。
16.根据权利要求1所述定向声学传感器,其中探测装置是一个静电探测装置。
17.一种确定声波粒子速度的方法,包括:利用支撑装置将一个悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体悬挂到传感器框架中,所述悬浮体的特征尺寸小于空气中最高声波频率的波长;通过探测装置来探测由空气中声波引起的悬挂到传感器框架上悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体的三维运动;通过探测装置从悬挂到传感器框架上悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体的三维运动推导出声波粒子速度;其中,所述悬浮体的密度接近空气的密度,以便声波通过悬浮固体时,所述悬浮体能够完全跟随声波粒子的运动。
18.一种确定声波的声学图像的方法,包括:将两个或多个定向声学传感器布置成多维阵列,其中每个定向声学传感器包含一个传感器支架,一个支撑装置和利用该支撑装置悬挂到框架中的悬浮体,该悬浮体的特征尺寸小于在空气中声波的最高频率波长,并能够感应声波激发的空气的三维运动;利用探测装置探测每个定向声学传感器的悬挂到传感器框架上悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体的三维运动;利用探测装置从每个定向声学传感器的悬挂到传感器框架上悬浮于空气中并自由地跟随声波粒子速度的悬浮体的三维运动中推导出声波的粒子速度,其中所述的两个或多个定向声学传感器产生了声波的多粒子速度;和利用处理器从所述多粒子速度和多维阵列的已知位置,算出声波的声学图像;其中,所述悬浮体的密度接近空气的密度,以便声波通过悬浮固体时,所述悬浮体能够完全跟随声波粒子的运动。
19.根据权利要求18所述的方法,其中探测装置包括扫描激光多普勒测振仪(LDV)。交叉引用本申请要求于2010年7月29日提交的第12/845,794号美国临时专利申请和于2009年8月6日提交的第61/273,564号美国临时专利的权益,该两件美国临时专利申请在此合并引用。简介大多数的麦克风,即声波传感器,只能测量声波压力并不能区分入射声波的方向。换言之,这些麦克风是全向传感器。定向麦克风/传感器只对某一方向来到的声波敏感,而对其他方向的声波不敏感。在许多应用中,仅仅测量声压是不够的。其他参数,如压力梯度和声粒子速度,对于充分了解这些应用的声音特性是十分必要的。
附图说明
图1是一个典型的使用有限差分法的现有声压梯度传感器示意图;图2是一个典型的现有声压力梯度传感器的频率响应曲线200,该曲线200的频率响应有20dB/decade斜率;图3是符合本发明多种实施例的声波波长320所显示的典型悬浮体的示意图;图4是符合本发明多种实施例的两个具有不同密度的不受约束的悬浮体的典型速度响应的典型曲线;图5是符合本发明多种实施例的声速麦克风典型结构示意图,其使用细软的绳或弹簧把悬浮体限制在包括支架和底座的传感器框架中;图6是符合本发明多种实施例的声速麦克风另一典型结构示意图,其使用楔形软体把悬浮体限制在包括支架和底座的传感器框架中;图7是符合本发明多种实施例的一个典型的受约束的悬浮体的频率响应(振幅和相位)的曲线,,包括低频的安装共振(即峰值);图8是符合本发明多种实施例的一个典型的受约束的悬浮体的声速频率响应(振幅和相位)的曲线,包括低频的安装共振和高频的动态共振(即动态峰值);图9是符合本发明多种实施例的一个具有检测装置的典型声速麦克风示意图,其检测装置包括三个正交放置的激光光纤测速仪;图10是符合本发明多种实施例的一个典型光学检测装置的示意图,其包括装在传感器机架底座里的测速仪光电网络;图11是符合本发明多种实施例的一个典型声成像系统示意图,其包括一个悬浮体的二维(2D)阵列定向声传感器和扫描激光多普勒测速仪(LDV);图12是符合本发明多种实施例的包括电磁检测装置的声速麦克风示意图;图13是符合本发明多种实施例的包括静电检测装置的声速麦克风示意图;图14是符合本发明多种实施例的确定声波粒子速度的方法的流程图;图15是符合本发明多种实施例的确定声波图像的方法的流程图。在详细描述本发明一个或多个实施例之前,本技术领域的熟练技术人员应知道本发明并不限于以下详细说明或图示的构造细节,组件安置,步骤安排。本发明可以有其他实施例并且可以用各种方式实施。此外,应当理解的是,这里使用的术语和名词用于描述的目的,而不用于限定。具体说明向量类型的声学传感器例如声速麦克风不是声波压力标量麦克风,人们对其有着强烈的需要。目前,有两种方法用于定向声学传感。从根本上讲,这两种方法都是依靠声压梯度来得到传感器的输出。图1是一个现有的使用有限差分法的压力梯度传感器100原理示意图。压力梯度传感器100包括两个完全匹配的全向麦克风,它们之间有一个小的分隔距离d。一振幅为P的平面声波以相对于沿着间距d的线(图中指定为X轴)角度θ入射,其数学表达式为:p(x,t)=P·e^{j(ωt-kx·cosθ)}xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)其中k是波数(k=ω/c),c是空气中的声速,ω是角频率。对以上压力函数相对于距离x求导数,即得到沿X轴的压力梯度。 ∂ p ( x , t ) ∂ x = j ω c · P · cos θ · e jωt - - - ( 2 ) ]]>图1中传感系统的输出是两个麦克风之间的压力差除以间距d,它可以写成, p ( + d 2 , t ) - p ( - d 2 , t ) d = P d · 2 j · e jωt · sin ( kd 2 cos θ ) - - - ( 3 ) ]]>当间距d很小,并且频率不是很高时,kd<<1,上述有限差分简化为, Output = p ( + d 2 , t ) - p ( - d 2 , t ) d = j ω c · P · cos θ · e jωt - - - ( 4 ) ]]>这和理论压力梯度公式(2)相同。因此,图1的输出密切代表了两个麦克风中心点的压力梯度。这种近似方法被称为声压有限差分法。有限差分法的优点是,它可以很容易地由传统的声压麦克风来实现和实施。不过,这种方法有其明显的固有的缺点。首先,配对的麦克风,要求两者的频率响应(振幅和相位)精确匹配。任何传感器间的性能不匹配,将造成最终输出的较大误差。这种精确的性能匹配的要求,对于大量生产这种类型的传感器是一种挑战。第二,当声音的频率变得较低时,声波的波长随之变长。结果,两个麦克风之间的信号差异减少,导致很低的信号与噪声比。相反地,随着频率变高,假设kd<<1将不成立,这将引入更多的误差,使其偏离方程(2)给出的真实压力梯度。第三,就频域里的声压或介质粒子速度来说,用有限差分法所得的声压梯度不是恒定常量。图2是一个现有的典型的压力梯度传感器的频率响应曲线200。该曲线有着20dB/decade的斜率。此频率响应可以用电子补偿方式,来实现平坦的灵敏度曲线。但是,信号噪比(SNR)和测量误差并不能因为硬件或软件补偿而得到改善。另一个被广泛采用的方法是利用振动膜片,声压梯度将在膜片上产生净力,检测膜片的动态响应,即可作为声压力梯度的输出。如今大部分市场上的定向麦克风是这种类型的传感器。膜片传感器在一个小面积(由膜片的大小决定)上直接测量声压梯度。检测膜片振动的方法包括电容检测,光学检测,等等。从理论上讲,薄膜压力梯度麦克风的频率响应,应如图2所示。然而,由于薄膜有其自身的动态特性,使得最终传感器的频率响应变得十分复杂,往往具有高度的非线性。另外,此类传感器的有效频率范围也十分有限。这类传感器的另一个缺点和有限差分麦克风相同,即当频率变低时,压力梯度在膜片上产生的净力也随之减少。因此,在低频率范围该传感器有着比较差的信噪比。90年代一个新的直接检测声波粒子速度的传感器被提出。此传感器依靠微机电系统(MEMS)的制造技术,并利用热效应来探测空气介质声波运动。虽然这是第一个可以测量空气中声波粒子速度的传感器,并且它体积小,但它具有一显著的缺点。此传感器包括一对在使用中暴露在空气中并保持高温的带电电线。这会在某些应用场合造成危险。此外,这种传感器的灵敏度或频率响应,本质上具有非常大的非线性(无论是在幅度和相位),这将引入的测量误差,并造成信号处理和声音/振动控制方面的问题。所有上面提到的压力梯度和声波速度麦克风都是单方向传感器。换句话说,这些传感器只对一个方向敏感,并对其他方向不敏感。但在现实中,当声波在空间传播,其介质粒子速度或声压梯度是一个三维向量,而不是一维向量。因此,为了测量声波的三维(3D)矢量,必须用到3个单向传感器,他们要紧密地、相互正交地组装在一起,以便可以分别测量声波矢量在笛卡尔坐标系中的X,Y,Z分量。把三个传感器包装在一个小盒子内可能会造成传感器之间的干扰。此外,包装结构会扭曲声波,从而造成测量误差。定向声波传感器或声速麦克风的实施例披露了一个小的悬浮于空气中的悬浮固体,它能自由地跟随声波粒子速度。悬浮体的动态速度可使用不同的检测装置而得到,如光学检测装置,电磁检测装置,及静电检测装置。声速麦克风的具体实例是一个三维的定向矢量传感器,它能够直接检测在一个单点声波介质粒子速度(以下简称为“粒子速度”)。而常规麦克风,只能测量一个标量即声波压力。声速麦克风可以有一个恒定(平坦)的振幅和相位的频率响应,并可覆盖或超出人类听觉频率范围(如20Hz-20kHz)。该声学矢量传感器可调整检测方向以指向空间任意方向,并阻止来自其他方向的声音。声速麦克风的实施例可以用于:声学和振动测量,主动噪声和振动控制,声源探测,声音录制,以及安全监控。此声速麦克风具有良好的频率宽度和线性响应,可以提高测量精度,增强噪声和振动控制能力。此外,声速麦克风阵列可用于获得在空中声音传播场的图像。从声波图像中提取的信息将有益于噪声声源的识别及主动噪声和振动控制。声音传播介质--空气是人的眼睛看不见的,同样声波及声波振动的声波粒子也是不可见的。这种无形的粒子运动是很难检测的。实现的声速麦克风使用悬浮在空气中的固体去跟随声波粒子的运动(例如,悬浮物体,实心球等),通过检测可见的悬浮物体的运动,就可获得声波粒子的速度。图3显示了符合本发明多种实施例的一个典型的声速传感器的悬浮体310相对于声波波长320的关系。悬浮体310的特征尺寸应该小于声波的波长。特征尺寸可以但不局限于其最大尺寸或直径。悬浮固体310的密度可以很接近(或相等于)空气的密度(例如,接近于完全悬浮状态)。当声波通过悬浮固体时,该悬浮固体310能够完全跟随声波粒子的运动。换句话说,这个悬浮固体的移动速度完全相同于或近似于声波的粒子速度。在图3所示的例子中,悬浮固体310的速度响应可以由以下公式计算: V x U a = 3 ( 1 + 2 γ ) - - - ( 5 ) ]]>其中:V_x是悬浮固体310的响应速度;U_a是声波的粒子速度;γ是悬浮固体310和空气的密度比(γ=ρ_sphere/ρ_air)。悬浮固体310的速度响应和声波粒子的速度有着直接的线性关系。换而言之,悬浮固体310的响应速度和声波的粒子速度具有相同的相位。当悬浮固体310的速度被一种或多种检测方式探测到后,声波的粒子速度就可由此推出。例如,声波的粒子速度可以由多种探测装置得到。在不同的实施例中,声波的粒子速度可以由处理器计算得出。该处理器可以是检测装置的一部分或是一个独立设备。该处理器可以包括,但不局限于:小型计算机,微处理器,专用集成电路,或具有执行指令功能的任何设备。当悬浮固体310的特征尺寸接近于声波波长320,悬浮固体的声波速度响应由一个更加通用的公式表达:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>其中:a是悬浮固体310的半径,k是波数,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="28"/>是相位,并且:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>一般很难找到和空气具有相同密度的固体。声波速度麦克风一个实施例可以使用其密度大于空气密度的材料。图4给出了符合本发明多种实施例的两种具有不同密度的不受约束的悬浮体的速度响应410和420的曲线400。这两种不同密度的悬浮体都具有相同的特征尺寸6mm。一个悬浮体具有五倍于空气密度的密度。另一个具有十倍于空气密度的密度。其速度响应410和420可以由公式6和公式7计算得到。如图4所示,速度响应相对于声波粒子速度是常量并独立于一直到例如20kHz的临界频率的声波频率。当频率高于临界频率时,悬浮固体的速度响应会很快下降。这是因为当频率变高时,声波的波长将变短,当声波的波长和悬浮体的尺寸接近时,声波加在悬浮固体上的净力将急剧减少。同时,图4显示出当悬浮固体变重时(高密度)它的速度响应将降低。图4还显示出其密度十倍于空气密度的固体420的速度响应比其密度五倍于空气密度的固体410低5dB。但是,不管悬浮体的密度大小如何,速度响应和声波的线性关系将一直保持不变(该线性关系是在临界频率之前)。声波速度麦克风的一个实施例可以利用悬浮体作为声波粒子速度的传感装置。该悬浮物体的三维动态运动可以由一种或多种检测装置测得。例如,光学检测装置,电磁检测装置,或静电检测装置。尽管在图中悬浮体显示为球形,因为球形便于数学建模。本领域熟练技术人员将会明白,悬浮体可以有其他形状,例如立方体或椭圆体,而且可以做成薄壳空心体。在声波速度传感器的一个实施例中,声波粒子速度的三维分量,即在麦卡迪坐标系中的X,Y,Z分量,可以完全得到测量。另外,也可以只测量声波粒子速度的一个或两个分量。如果一个声速麦克风只测量一个分量,该声速麦克风称为单轴传感器。如果一个声速麦克风测量两个分量,该声速麦克风称为双轴传感器。如果一个声速麦克风测量三个分量,该声速麦克风称为三轴传感器或矢量传感器。悬浮体不能完全自由地呆在空间中。换句话说,悬浮体需要限制在支撑装置中。支撑装置可以是有形支撑,也可以是无形支撑或非接触支撑。图5是符合本发明多种实施例的声速麦克风500的典型原理图,该麦克风500用细小柔软的绳子或弹簧510把悬浮体310限制在包括支柱520和底座530的传感器框架结构中。由于细软的绳索510限制了悬浮体310,所以该悬浮体310可以保持一个相对于传感器框架结构的固定位置和方位。图6是符合本发明多种实施例的一个声音速度麦克风600的原理图,它在包括支柱620和底座630的传感器的框架内用软楔610支撑悬浮固体310。软楔610可以用弹性物质或软的海绵做成。软楔610给悬浮体310提供了一个物理支撑。对悬浮固体的支撑,需要在三维空间内对称,这样才可以使悬浮固体在各个方向有着相同响应。支撑系统和悬浮固体组成了弹簧质量块动态系统。它将影响传感器在低频端的频率响应。支撑系统和悬浮固体有一个机械共振,它被称为安装共振。它将叠加在悬浮固体的频率响应上。图7是符合多种实施例的一个受限制的悬浮体的频率响应700曲线(振幅720和相位730),包括低频的安装共振710。频率响应的峰值710是由支撑装置和悬浮体造成的机械共振所产生。图7表明安装共振的频率越低(对应于更软的支撑)有效的频率响应范围越宽。在图7所给的例子中,安装共振频率大概在5Hz,使得声音速度麦克风从20Hz到20kHz有较平坦的频率响应,它覆盖了人类的听觉频率范围。悬浮体本身可以有自己的动态特征,它可以和声波相互作用,由此产生类似共振的峰值响应。这样的相互作用一般发生在高频端,并在人们的听觉频率范围之外。图8是符合多种实施例的一个受约束的具有安装共振810和高频共振820的悬浮体的速度响应曲线800(幅值830和相位840)。动态峰值820能有效的补偿由声音波长造成的快速输出衰减(如图7所示),由此使得频率响应的范围可高于20kHz。最终结果是延长了一个声速麦克风的高端频率范围,例如到30kHz或40kHz(进入超声波范围)。如上所述,声音介质速度可以由测量悬浮固体的速度而得到,例如通过光探测装置,电磁探测装置,或静电探测装置。对于光学探测装置,悬浮固体由声波引起的振动速度,可以利用多普勒效应的激光测振仪测量得出。当把一束激光投射到运动的悬浮体上,其散射回来的激光由于多普勒效应会有频率的偏移。悬浮固体的速度大小决定了频率的偏移量:Δf=2V_o/λxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(8)其中:Δf是频率的偏移;λ是激光波长;V_o是悬浮固体沿着激光投射方向的速度。通过检测反射激光的频率偏移,就可以得到悬浮体的速度。常规激光多普勒测振仪(LDV)一般用于测量较远处的物体(数米范围)。LDV包括一个强大的激光源和复杂的光学镜头系统,用来收集和聚焦激光。因此造成LDV的笨重和昂贵。在一个声音速度麦克风的实施例子中,探测距离(从投射激光和收集探头到振动悬浮固体的距离)会很小。因此一个小尺寸,低功率的激光二极管就可以满足应用。单模态的玻璃光纤可以用来替代复杂的光学镜头系统,它可以引导激光到悬浮固体上,并且收集散射回的激光至一个光电电路内。其结果是一个造价低廉,结构紧凑的激光光纤测振仪。更重要的是,这样紧凑的激光光纤测振仪可以轻易和悬浮固体结合在一起,从而形成一个真正的声学速度麦克风。图9是符合本发明多种实施例的一个典型声学麦克风900的原理示意图,该麦克风的检测装置包括3个互相垂直安置的激光光纤测振仪。因为测量的对象是一个矢量,需要用三套激光光纤测振仪去分别测量声波速度的X,Y,Z分量(分别是910,920,930)。然而也可以用一套或者两套激光光纤测振仪去测量声波粒子速度的某些分量。如果只用一个激光光纤测振仪,就形成了单轴声音速度麦克风。如果用两个激光光纤测振仪,就形成了双轴声音速度麦克风。在图9中,光纤940能引导激光到悬浮固体310上。投射激光的光纤方向决定了测量的方向,例如,X,Y,Z轴的方向。另外一个光纤或称准直光纤950以一定的斜角放置在靠近悬浮固体310上的照射处,用以收集散射回的激光。基座960提供了传感器的结构支撑并可安置光纤激光二极管LDV。图10是符合本发明多种实施例的一个光学探测装置的原理示意图,该探测装置包括安装在传感器机架的底座960内的测振仪的光电网络1010。从激光二极管1020发出的激光被引导到耦合器1030,进而由光纤940引导到悬浮固体310。另一个光纤或称准直光纤950以一定的斜角放置在靠近悬浮固体310的照射处,并用以收集散射回的激光。该收集的激光被送回至光电网络1010,其中的多普勒频率偏移被检测出来。因为该频率偏移和悬浮固体310的速度有着如公式8所给出的简单的线性关系,所以悬浮固体310的速度就可以计算出来。该速度可以作为电信号输出(框图1060)。参考图9,三个测振仪的三个光纤940可以互相垂直的围绕着悬浮固体310安置。因此,沿着麦卡迪坐标系的X,Y,Z速度分量就可直接测量得到。如果投射激光的三个光纤940不是以直角安置,那么在麦卡迪坐标系中的X,Y,Z分量就需要用三角学的关系推算得出。图11是符合本发明多种实施例的一个声成像系统1100的原理示意图。该声成像系统包括一个由悬浮体组成的二维矩阵和一个扫描激光多普勒测振仪1120。悬浮体探测结构可以布置成多维(二维或三维)阵列,并由此可以检测到二维平面或三维空间的声波传递场。声场速度在某一平面内的分布又被称为声学图像,它在很多场合,例如声源探测,噪声控制和室内声学特征测量,都有很好的应用价值。在图11情况下,探测是由现有商用扫描LDVxa01120来完成的,它可以远距离地把激光束1110投射到悬浮固体310上,并测量它的速度响应。通过把所有测量到的悬浮固体的速度组合在一起,就得到了声学传递场的图像。在图11中,单一的测量装置(扫描激光多普勒测振仪1120)只是为了说明目的。本领域的熟练技术人员将会明白,多种其他测量装置也可以用来探测悬浮体的运动。例如单独的检测装置可用于每个传感器。图12是符合本发明多种实施例的一个用电磁探测装置的声速麦克风1200的原理示意图。条形电极或细的金属线1210可以埋设在悬浮固体310内,或者固定在悬浮固体310的外面。永久磁铁1230放在靠近悬浮固体310的位置,使得一个永久磁场1220施加在悬浮固体310的周围。当悬浮固体310跟随声波振动时,条形电极或细金属线1210切割电磁场1220并在其末端产生电势差(又名电磁感应电压)。当振动方向垂直于磁场1200时,感应电压Vixa0xa0由以下公式计算得到:V_i=-BLV_oxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(9)其中:B是磁场,L是总的有效导体长度,V₀是悬浮固体310的移动速度。因为电场强度B和导线长度L是常量,感应电动势V_i和悬浮固体移动速度V₀形成一线性关系。通过测量感应电动势,就可以得到声波粒子速度。基于此探测方式的声波速度麦克风结构简单并容易制造。然而,此种探测方式很难做成三轴传感器,一般适用于单轴传感器。图13是符合本发明多种实施例的一个利用静电探测装置的声波速度麦克风1300的原理示意图。一个或多个电极1310可以设置在悬浮固体310的三个垂直面上,与之配对的电极1320是固定在平板1330上,并由传感器结构支撑。每一对移动和静止的电极形成一个平行板电容。如果悬浮固体310是一个电介质材料,当高静电场加在平行板电容上,其静电力可以支持悬浮固体310。因此平行板电容器是一个无形支撑的例子,在这种实现方式中,纤细弹簧和软楔(如图5和图6所示)就不需要了。当声波引起悬浮固体310随着介质粒子运动时,平行板电容器的间隙会随之变化。通过测量平行板电容间隙距离的变化,声波的粒子速度就可以推算出来了。本质上来说,静电探测方式是直接测量位移量而不是速度。因此,其相对于声压或声速的频率响应会有一个负20dB/decade的斜率。对于声音速度麦克风的性能来说,光学探测装置优于其他两种上面提到的探测装置。然而,电磁探测装置和静电探测装置易于实现,并比光学探测装置成本低。图14是符合本发明多种实施例的探测声波粒子速度的方法流程图1400。在方法1400中的步骤1410,悬浮体的特征尺寸小于最高声波频率的波长,并且通过支撑装置悬浮于传感器框架中。在步骤1420,悬浮体从声波激励的空气接收的三维运动被检测装置检测到。步骤1430,通过使用检测装置,从悬浮固体三维运动中推导出来声波的粒子速度。图15是符合本发明多种实施例的用于确定声波图像的方法流程图1500。在方法1500的步骤1510,一个或多个定向声学传感器以矩阵形式分布。每个声学传感器包括一个传感器框架,其中有一个悬浮固体和其支撑装置。悬浮固体由支撑装置限制在传感器框架中。悬浮固体的特征尺寸小于最高声波频率的波长。悬浮固体接收到空气中声波的激励,引起其三维移动。在步骤1520,每个传感器的三维移动被所用探测装置检测到。在步骤1530,通过使用检测装置,从每个定向声学传感器的每个悬浮体的三维运动推导出声波的粒子速度,其中多个定向声学传感器产生声波的多个粒子速度。在步骤1540,声波的声学图像是处理器从多个粒子速度和多维阵列的已知位置计算得到的。如上所述,该处理器可以是探测装置的一部分或者置于另外的设备中。该处理器包括但不局限于计算机、微处理器、专用集成电路,或任何能够执行计算指令的设备。尽管本发明已经结合具体说明和实施例进行了详细描述,但是应当明白,可以在不背离本发明精神和范围的情况下,采用以上未讨论各种修改。例如,悬浮固体可以做成薄壳形式而不是实心的固体,悬浮固体可以支撑在其中心,光学探测装置可以利用激光束和镜头来代替光纤。所有这些并没有偏离以下权利要求所定义的本发明的精神和范围。进一步而言,在本发明代表性的实例描述中,也许已经给出了作为步骤的具体顺序的本发明方法和/或处理过程,但是这些方法和过程并不依赖于这里所述的步骤的具体顺序。方法或者过程不应局限于特殊的如上所述的顺序。本领域熟练技术人员应该明白,其他的步骤顺序也是可行的。因此,说明书所述的特殊步骤顺序不因视为对权利要求的限制。另外,针对本发明的方法和/或过程的权利要求不应局限为按写作次序执行其步骤,本领域熟练技术人员应明白,改变顺序仍然可以保持本发明精神和范围。