CN104754459B - 利用声偶级子阵列提高低频声波的指向性的方法 - Google Patents
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Abstract
利用声人工材料改善低频声波的指向性的方法，所述声人工材料为级联的二维亥姆赫兹共鸣器，采用六级联的六个周期亥姆赫兹共鸣器的两块钢板，两块钢板中间设有细缝；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的每个周期长度分别为5.4±0.1厘米以及15±0.5毫米；钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为10毫米；适用于声波频率范围为2.8kHz到4kHz。本发明利用级联二维亥姆赫兹共鸣器，将钢板的等效边界条件从硬边界调节成软边界的情况，实现偶极子辐射效果，增强偶极子阵列的指向性和辐射效率。
Description
一、技术领域
本发明涉及利用声人工材料，在亚波长尺度下，采用偶级子阵列实现低频声波的高指向性传输的方法。
二、背景技术
研究如何实现高指向性波束，一直以来得到了广泛的关注。实现高指向性波束一般通过特殊形状辐射器的实现。辐射器的辐射分布呈贝塞尔函数状可以产生贝塞尔型波束。但是，产生贝塞尔波束，对于辐射器的阵列设计要求非常高，而且，理论上，要获得此形式的波束，辐射器所需要辐射的能量是无限大的。在不同领域中，为了获得较好的定向传输特性，学者们研究了许多不同的方法。在微波通信中，通过设计不同种类的天线阵以及喇叭天线，来实现电磁波的有向传输。在声学中，通过设计不同种类的声柱来实现超指向性声波的传输，但这些设计都是以复杂的设计结构作为代价的，而且，对于点源阵列阵来讲，为了防止副极大值的出现，要求阵元间距小于一个波长。声学中，另一种实现超指向性波束方法是利用声波的非线性效应，进行声参量发射阵的设计，来得到差频波的低频超指向性传输特性。不过这种方法所产生的差频波的效率非常低，是以损失巨大能量的代价来换取低频声波的指向性传输。
三、发明内容
本发明的目的：涉及利用声人工材料，在亚波长尺度下，采用偶极子阵列实现低频声波的高指向性传输的方法。
本发明的技术方案：利用声人工材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是所述声人工材料即声偶级子阵列为级联的二维亥姆赫兹共鸣器，采用六级联六块多周期亥姆赫兹共鸣器的钢板；钢板的厚度t以及亥姆赫兹共鸣器的每个周期d长度分别为5.4±0.1厘米以及15±0.5毫米；六级联的六块亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为48±1厘米、总高度为25±1厘米；钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度IO 和宽wo 分别为2毫米以及1毫米，钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度h都为10毫米；适用于声波频率范围为2.8kHz到4kHz。
六块钢板间均设有细缝，或在六块钢板的中央设有一条细缝，细缝的宽度a为2±0.5毫米，狭缝间距为L。
需要说明的是，调整结构参数，可以改变适用频率范围。
利用亥姆赫兹共鸣器的共振特性，调节辐射平面的边界条件，将其从硬边界条件转换为软边界条件；从而实现偶极子辐射声场。
利用Fabry-Perot共振，阵列化和钢板出射面的等效声阻抗大小，来增强偶极子阵列的指向性和辐射效率。
实现此效果的声波的波长，可以远大于结构的晶格常数，这为实现低频声波指向性和器件的小型化成为可能。
获得的声场的指向性好，能够减弱或消除点阵中出现的副极大值。
此方法可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率透镜成像。
图1(a)为实现高辐射效率的偶极子阵列辐射场的样品结构的俯视图。
根据镜像原理，在无限大硬平面(刚性边界条件)上方的点声源所辐射的声场，可以等效为其本身的点源所产生的声场与在关于平面的对称位置的同相位振动的点声源所产生的声场的线性叠加。而在无限大软平面(自由边界条件)上方的点声源所辐射的声场，可以等效为其本身的点源所产生的声场与在关于平面的对称位置的反相位振动的点声源所产生的声场的线性叠加，此时，此点声源以及虚拟的镜像点声源可以看作一对偶极子，实现偶极子辐射。通过调节边界声阻抗的大小，可以增强偶极子的辐射效率。多对偶极子形成线阵列，利用偶极子阵列辐射场，来提供高指向性波束，是本发明的基本原理。
根据波动理论，高阶极子的辐射效率要远远低于低阶极子的辐射效率。比如偶极子的辐射效率要远低于单极子。为了利用偶极子辐射场具有较好的指向性的特点，并获得较高的辐射效率，在本发明中，我们利用调节出射面的等效声阻抗大小来增强偶极子阵列的辐射效率。而且阵列化的偶极子的辐射效率可以达与阵列化单极子相同数量级的辐射效率而且能够减弱或消除点阵中出现副极大值。
获得高效偶极子阵列的关键是改变出射面的等效声阻抗，这在低阻抗介质中是比较困难的。比如空气中，由于空气与钢的声阻抗差异巨大，通常认为钢板的表面为刚性边界条件。本发明利用引入特殊的声学单元器件(二维亥姆赫兹共鸣器)来调节钢板的等效声阻抗，来获得近似软边界条件，从而实现偶极子辐射场。当边界的等效声阻抗较小时，偶极子的辐射效率很低，通过调节边界的等效声阻抗可以提高偶极子的辐射效率。
本发明的有益效果是，与现有技术相比具有如下的特点，利用偶极子阵列辐射场，具有较好的指向性的特点，来获得高指向性波束的传播。通过调节钢板出射面的阻抗，来克服偶极子阵列辐射效率低的特点，从而大大增强辐射效率。利用亚波长声学结构，改变边界的等效声阻抗率，大大减小了器件的尺度。实现高指向性效果的声波的波长，可以远大于结构的晶格常数，这为器件的小型化成为可能。获得的声场的指向性好，而且减弱或消除点阵中出现的副极大值。此方法可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率透镜成像。
四、附图说明
图1为本发明结构图，图1(a)有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(1条细缝即狭缝)，图1(b)有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(5条狭缝)；图1(c)没有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(5条狭缝)；
图2数值计算所获得的样品指向性图：图2(a)：数值获得的平面波透过图1(a)所示结构的声场的强度分布图。图2(b)：数值计算获得的平面波透过图1(b)所示结构的声场的强度分布图(L/λ＜1)。图2(c)：数值计算获得的平面波透过图1(b)所示结构的声场的强度分布图(L/λ≈1.1)。图2(d)：数值计算获得的平面波透过图1(c)所示结构的声场的强度分布图(L/λ≈1.1)。
五、具体实现方案
本发明的结构样品图如图1所示。图1(a)有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(1条狭缝)图1(b)有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(5条狭缝)；图1(c)没有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板(5条狭缝)；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的周期长度分别为5.4厘米以及15毫米。细缝的宽度为2毫米，结构的总宽度为48厘米，结构的总高度为25厘米。钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽度分别为2毫米以及1毫米，钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为10毫米。为了与图1(b)所示结构的效果进行对比，我们设计了没有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板，如图1(c)所示，其为实现高辐射效率的单极子阵列辐射场的样品结构的俯视图。其余参数与图1(b)所示样品完全一致。
为了验证发明的有效性以及可行性，我们进行了数值计算。图2为数值计算所获得的样品指向性图。图2(a)：数值获得的平面波透过图1(a)所示结构的声场的强度分布图。图2(b)：数值计算获得的平面波透过图1(b)所示结构的声场的强度分布图(L/λ＜1)。图2(c)：数值计算获得的平面波透过图1(b)所示结构的声场的强度分布图(L/λ≈1.1)。图2(d)：数值计算获得的平面波透过图1(c)所示结构的声场的强度分布图(L/λ≈1.1)。
Claims (3)
1.利用声人工材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是所述声人工材料即声偶级子阵列为级联的二维亥姆赫兹共鸣器，采用六级联六块多周期亥姆赫兹共鸣器的钢板；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的每个周期长度分别为5.4±0.1厘米以及15±0.5毫米；六级联的六块亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为48±1厘米、总高度为25±1厘米；钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽分别为2毫米以及1毫米，钢板出射面的各个亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为10毫米；适用于声波频率范围为2.8kHz到4kHz；
六块钢板间均设有细缝，细缝的宽度为2±0.5毫米。
2.根据权利要求1所述的利用声人工材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是调整级联的二维亥姆赫兹共鸣器结构参数，改变适用的声波频率范围。
3.根据权利要求1所述的利用声人工材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是利用Fabry-Perot共振，阵列化和钢板出射面的等效声阻抗大小，来增强偶极子阵列的指向性和辐射效率。
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