CN103592019B - 一种基于含时调制的声二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于含时调制的声二极管，由声波导管中的椭圆柱与位于声波导管末端的滤波器构成。其中，椭圆柱位于滤波器的前面，声波导管为刚性材料，椭圆柱由电机带动旋转，滤波器由位于声波导管上、下两侧的赫姆霍兹共振腔组成。本发明的结构在工作波段，正向入射的声波经过旋转速度为65.5r/s的椭圆柱后部分频率跃迁了131Hz，可通过滤波器，而反向入射的声波先经过滤波器，直接被过滤掉，不能通过二极管。本发明不仅利用含时调制实现了声整流，而且可以通过改变结构参数和滤波器中心频率改变单向传播的工作频率，通过改变旋转速度和滤波器带宽可改变二极管带宽，是一种对角度不敏感、适应性强、结构简单、易实现、低成本的声二极管。
Description
技术领域
本发明属于声学系统中的声二极管器件，特别涉及一种基于含时调制的声二极管。
背景技术
二极管又称晶体二极管，是电子元件中一种具有不对称电导的双电极电子元件，只允许电流由单一方向流过。二极管因为它的整流效应，具有广泛的应用，可以作为简易直流稳压电路，温度补偿电路，自动控制电路，限幅电路，开关，检波电路，继电器驱动电路中的保护电路等，引起了基础科学和先进技术巨大改革。
上个世纪电子信息技术的发展，极大地改变了人类生活的面貌，推动了社会的进步。但是，随着信息处理单元器件的尺寸越来越小，逐步逼近量子极限，对摩尔定律提出了新的挑战。而且，目前的微电子集成工艺存在传输效率较低，发热功率过大等缺点，使其难以满足未来3T信息技术高速发展的需要。为解决上述面临的重大问题，光电子技术已经展示了巨大的优越性，光作为信息载体在传播速度、信息载量以及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术和产业发展中起重要作用，因此对光子的调控变得尤为重要与紧迫。近年来基于光子晶体的非互易性质研究，无论是在基础研究还是应用研究方面都引起了人们极大的关注。
同样，作为另外一种经典波的声波，也是能量和信息的重要载体，在日常生活中语音通讯也是人们信息交流的重要手段，而在某些电磁波损耗特别大的时候，比如水下通讯、近海通讯、气象雷达、医学超声等方面，声波更是具有不可取代的作用。当前我们对声波的研究大多停留在经典层面，而随着波调控的发展，人们对声的调控也逐步重视起来。基于声子晶体的非互易性质研究也开始新兴起来。
2010年南京大学程建春小组提出了一种一维声二极管，耦合一维声子晶体和超声造影剂微泡悬浮。其中超声造影微泡悬浮拥有声学非线性，而超晶格充当滤波器，透射率达到10-3（参见Liang,B.,Guo,X.S.,Tu,J.,Zhang,D.&Cheng,J.C.,An acoustic rectifier.NatureMater.9,989_992(2010)）。然而超声造影微泡悬浮工艺复杂，难以制备，微泡不稳定，必须在水中，而且透射率低，与强度关系很大，转化效率低，因此较难实现应用。2011年南京大学陈延峰小组设计了一种基于各向异性声子晶体及空间反演破缺对称性的声二极管，利用一侧的衍射结构，结合声子晶体的方向带隙实现声波的不对称传输（参见X.F.Li,X.Ni,L.Feng,M.H.Lu,C.He,and Y.F.Chen,Tunable Unidirectional Sound Propagation througha Sonic-Crystal-Based Acoustic Diode.Phys.Rev.Lett.106,084301(2011)）。但是这种设计对于角度非常敏感，如果声波不是垂直入射，效果就不那么明显，而且该器件并没有打破严格的声波传播互易性。2012年祝雪峰提出了一种基于流体超构声子晶体的声开关，通过转动调制声学等效参数实现跃迁（参见Xue-Feng Zhu,Acoustic waves switch based onmeta-fluid phononic crystals.JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 112,044509(2012)）。可是这种设计结构太复杂，只能基于理论，并没有完成实验工作。这些最新的研究成果表明，尽管已经有一些方法可以实现声整流，但是要得到同时具有高透射率，高对比度，且对角度、强度不敏感，稳定性好，结构简单，易实现的声二极管设计，依然是个难题。
发明内容
本发明提出了一种基于含时调制的声二极管的具体设计，目的在于得到同时具有高透射率，高对比度，且对角度不敏感，稳定性好，结构简单，易实现的声二极管。
本发明采用的技术方案为：
一种基于含时调制的声二极管，由声波导管中的椭圆柱与位于声波导管末端的滤波器构成，椭圆柱位于滤波器的前面；所述声波导管为刚性材料，所述椭圆柱由电机带动旋转，所述滤波器由位于声波导管上、下两侧的赫姆霍兹共振腔组成。
所述声波导管为长方体，其材料为铝合金，结构参数为：长1.5m，宽0.025m，高0.1m，壁厚1.25mm。
所述椭圆柱为尼龙柱，结构参数为：横截面长半轴8mm，短半轴4mm，高9cm。
进一步地，所述电机为直流电机，旋转速度为65.5r/s。
进一步地，所述滤波器的中心频率为1700Hz，带宽为120Hz，品质因子为17。
本发明的声二极管，通过调整和优化椭圆柱和赫姆霍兹共振腔的参数（如长短半轴长度，腔内壁形状、尺寸，腔间距、个数等），通过椭圆柱的设计，可以很好的克服柱子在转动过程中气流的摩擦阻力，并且使得该二极管能够在1650～1770Hz的波段范围内工作，带宽达到120Hz。二极管的对比度可达到0.99，转化效率可达到0.5%。因此，该二极管相比声学造影剂的非线性效率具有更高的频率转化效率，该声二极管还具有很高的对比度。此外，本发明可以通过改变结构参数和滤波器中心频率改变单向传播的频率，适应性强，结构简单，低成本。
本发明不仅利用含时调制实现了声整流，而且可以通过改变结构参数和滤波器中心频率改变单向传播的频率，通过改变含时调制频率和滤波器带宽可改变二极管带宽及整流率，对角度不敏感，适应性强，结构简单，易实现，低成本。本发明具有广泛的应用前景，可以防止声测量时反射信号的干扰，可用于生物医学超声成像，声纳信噪比的提高、声波测井，声无损检测以及未来可能的全声语音信号处理等。
附图说明
图1为本发明的基于含时调制的声二极管结构示意图，右下角为赫姆霍兹共振腔的放大截面图；
图2为本发明旋转椭圆柱的等效参数；
图3为本发明的滤波器的V型曲线，图中为赫姆霍兹共振腔的结构示意图；
图4为本发明的旋转椭圆柱的转化率；
图5为本发明的声二极管的正反向入射波的透射率对比图；
图6为本发明的声二极管的对比率。
具体实施方式
对基于含时调制的二极管中椭圆柱和滤波器结构的设计和有效参数的分析，采用COMSOLMultiphysics数值模拟来完成，二极管声学性能的测试分析，采用B&K3560-C信号分析仪来完成。图1所示为本发明的基于含时调制的二极管结构示意图。图中标记为：椭圆柱1，声波导管2，赫姆霍兹共振腔3，波导管长l、宽w、高h、壁厚d，椭圆柱横截面长半轴a，短半轴b，高h1，赫姆霍兹共振腔周期m。具体参数为l=1.5m，w=25mm，h=0.1m，d=1.25mm，a=8mm，b=4mm，h1=9cm，m=5cm。声波导管2为刚性材料，如铝合金。椭圆柱1嵌入在波导管中，采用尼龙材料，由直流电机带动旋转。滤波器由上下两排赫姆霍兹共振腔3组成。
图2所示为旋转椭圆柱1的声学等效参数。灰线表示等效密度与空气密度的比值，黑线表示等效弹性模量与空气弹性模量的比值，实线为实部，虚线为虚部。
图3所示为赫姆霍兹共振腔3的结构示意图和V型曲线。赫姆霍兹共振腔3的结构参数为：r=10mm，R=10mm，L=10mm。图中可以看出，赫姆霍兹共振腔3的中心频率为1700Hz，带宽为120Hz，品质因子为17。
图4所示为旋转椭圆柱含时调制的转化率示意图。椭圆柱旋转速度为△f/2，跃迁频率△f分别为10Hz，40Hz，70Hz，100Hz，130Hz，转化率能达到0.5%。
图5所示为声二极管的正反向入射波的透射率对比图。从图中可以看出，声二极管工作波段为1650-1770Hz，带宽为120Hz，尤其在1660-1720Hz波段整流效果最好，且透射率可达到10-2。在工作波段，正向入射的声波先经旋转椭圆柱含时调制，频率跃迁了100Hz，到了滤波器滤波范围之外，可通过滤波器，而反向入射的声波先经过滤波器，直接被滤掉，无法通过，所以实现了声波的整流效应。
图6所示为声二极管的对比率RC=(TL-TR)/(TL+TR)示意图。其中，TL和TR分别表示从左边入射和从右边入射的声波的透射率。从图中可以看出，本发明的基于含时调制的声二极管的对比率在1660-1720Hz波段能达到0.84-0.99。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于含时调制的声二极管，其特征在于，由声波导管、声波导管中的椭圆柱、电机与位于声波导管末端的滤波器构成，椭圆柱位于滤波器的前面；所述声波导管为刚性材料，所述椭圆柱由电机带动旋转，所述滤波器由位于声波导管上、下两侧的赫姆霍兹共振腔组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于含时调制的声二极管，其特征在于，所述声波导管为长方体，其材料为铝合金，结构参数为：长1.5m，宽0.025m，高0.1m，壁厚1.25mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于含时调制的声二极管，其特征在于，所述椭圆柱为尼龙柱，结构参数为：横截面长半轴8mm，短半轴4mm，高9cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于含时调制的声二极管，其特征在于，所述电机为直流电机，旋转速度为65.5r/s。
5.根据权利要求1所述的一种基于含时调制的声二极管，其特征在于：所述滤波器的中心频率为1700Hz，带宽为120Hz，品质因子为17。
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