CN104916280A - 一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ＞2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料结构简单，容易实现，可以产生超宽带弯曲声场。

Description

一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料

技术领域

本发明涉及一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料。

背景技术

相控阵技术是声学中常用的技术，通常用不同相位的扬声器序列，形成一个相位轮廓，利用声波干涉效应实现各种功能，其中产生沿着任意凸轨迹的弯曲声场是一个重要的应用。而一些被动的方法如声学超表面只能工作在单一频率或窄的带宽。

因此，需要一种新的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对在现有技术中的具有产生弯曲声场的声学材料体积大、结构复杂、工作带宽窄的缺陷，提供一种结构简单的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料。

为实现上述发明目的，本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料可采用如下技术方案：

一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

更进一步的，所述槽垂直于所述表面。结构更简单。

更进一步的，所述槽的宽度为0.75cm，相邻所述槽之间的距离为0.25cm。

更进一步的，所述声学材料设置在背景媒介中，所述声学材料的声学阻抗超过100倍的所述背景媒介的声学阻抗。

发明原理：具有超宽带声学超常反射的声学材料，声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，x轴平行于表面并与槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₀为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，φ(x)为表面相位轮廓，k₀＝2π/λ为波数，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

声波入射表面，通过设计不同的槽深度的函数h(x)，控制声波在槽中传播的路程，可以在表面不同位置得到不同的相位反馈，从而实现特定的表面相位轮廓φ(x)。其中，槽的深度函数h(x)中h₀是一个常数来确保设计的h(x)>0，在相控阵的应用中,所需要的φ(x)通常都正比于波数k₀,而这里通过控制声路程方法的得到的相位反馈形式,可以正好消除了波数k₀项,因此消除了对频率的依赖,使得设计的相位轮廓适用于超宽频带声信号，打破了传统超表面单频的限制，这里只需满足采样定律不产生混叠的条件波长λ>2d(其中，d为槽的宽度)。通过设计相位轮廓，可以实现弯曲的声场。要实现任意的凸弯曲路径y＝f(x)，表面相位轮廓需满足:

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=\frac{k_0{f}^{\text{'}}\left(y\right)}{\sqrt{1+{\left[f^{\text{'}}\left(y\right)\right]}^2}}$

而深度的函数可由如下关系导出：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}$

通过设计不同的相位轮廓，可以实现不同的功能，如本发明的弯曲声场。

有益效果：本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料结构简单，容易实现，可以产生超宽带弯曲声场。

附图说明

图1是本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料的结构示意图；

图2是实施例1中7277Hz声波入射的数值模拟图；

图3是实施例1中12128Hz声波入射的数值模拟图；

图4是实施例1中16979Hz声波入射的数值模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，x轴平行于表面并与槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。其中，弯曲声场的轨迹为(x+r)²+y²＝r²。

本发明中槽垂直于表面，可省略补偿项，操作更简单方便。槽的宽度为0.75cm，相邻槽之间的距离为0.25cm。

声学材料设置在背景媒介中，声学材料的声学阻抗超过100倍的背景媒介的声学阻抗。背景媒介一般为空气。

发明原理：具有超宽带声学超常反射的声学材料，声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，x轴平行于表面并与槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₀为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，φ(x)为表面相位轮廓，k₀＝2π/λ为波数，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

声波入射表面，通过设计不同的槽深度的函数h(x)，控制声波在槽中传播的路程，可以在表面不同位置得到不同的相位反馈，从而实现特定的表面相位轮廓φ(x)。其中，槽的深度函数h(x)中h₀是一个常数来确保设计的h(x)>0，在相控阵的应用中,所需要的φ(x)通常都正比于波数k₀,而这里通过控制声路程方法的得到的相位反馈形式,可以正好消除了波数k₀项,因此消除了对频率的依赖,使得设计的相位轮廓适用于超宽频带声信号，打破了传统超表面单频的限制，这里只需满足采样定律不产生混叠的条件波长λ>2d(其中，d为槽的宽度)。通过设计相位轮廓，可以实现弯曲的声场。要实现任意的凸弯曲路径y＝f(x),表面相位轮廓需满足:

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=\frac{k_0{f}^{\text{'}}\left(y\right)}{\sqrt{1+{\left[f^{\text{'}}\left(y\right)\right]}^2}}$

而深度的函数可由如下关系导出：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}$

通过设计不同的相位轮廓，可以实现不同的功能，如本发明的弯曲声场。

本发明的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料结构简单，容易实现，可以产生超宽带弯曲声场。

实施例1：弯曲声场

请参阅图2、图3和图4所示，显示了弯曲声场在声波垂直入射条件下，3个频率(7277Hz，12128Hz，16979Hz)的数值模拟结果(样品中槽的宽度为d＝0.75cm，槽壁厚为d₀＝0.25cm)，虚线为设计的弯曲路线，该弯曲的声场可以由如下的相位轮廓产生：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=k_0[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]$

则槽深度分布为：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)].$

散射声压强度分布显示了声源垂直入射下弯曲声场的效果。虚线显示了声场的轨迹(x+r)²+y²＝r²。

Claims (4)

1.一种能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，其特征在于：所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

2.如权利要求1所述的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，其特征在于：所述槽垂直于所述表面。

3.如权利要求1所述的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，其特征在于：所述槽的宽度为0.75cm，相邻所述槽之间的距离为0.25cm。

4.如权利要求1所述的能够产生超宽带弯曲声场的声学材料，其特征在于：所述声学材料设置在背景媒介中，所述声学材料的声学阻抗大于100倍的所述背景媒介的声学阻抗。