CN105913837B - 一种超薄的施罗德散射体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄的施罗德散射体，包括基板，所述基板上设有7×p行和7×q列个正方形凹槽，p和q为大于等于1的整数，正方形凹槽的边长为0.48λ，深度为0.04λ，凹槽设有正方形颈口，正方形颈口的边长小于正方形凹槽的边长，颈口深度为0.01λ，λ为散射体针对某一中心频率f0设计，所对应的波长，不同凹槽单元的颈口宽度w不同，分布满足一个特定数列。本发明可以在宽带实现声波的漫反射，和传统的施罗德散射体相比，具有接近的漫反射效果，同时可以减小材料的厚度，和传统施罗德的厚度λ/2相比，本发明的厚度只有λ/20，方便实际中的使用。

Description

一种超薄的施罗德散射体
技术领域
本发明涉及一种超薄的施罗德散射体，属于声学领域。
背景技术
传统的施罗德声学结构设有多个凹槽，凹槽的槽口和槽底宽度一致，导致施罗德声学结构的厚度比较厚，一般为λ/2，如图1和图2所示，不利于声学器件的集成。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超薄的施罗德散射体，厚度可以为传统施罗德散射体的1/10，体积更小。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种超薄的施罗德散射体，包括基板，所述基板上设有7×p行和7×q列个正方形凹槽，p和q为大于等于1的整数，正方形凹槽的边长为0.48λ，深度为0.04λ，相邻两个凹槽中心位置间隔为λ/2，凹槽设有正方形颈口，正方形颈口的边长小于正方形凹槽的边长，颈口深度为0.01λ，λ为散射体针对某一中心频率设计所对应的波长，不同凹槽单元的颈口宽度w不同，分布满足一个特定数列，从而在中心频率，或者中心频率周围的多个频率，实现想要的相位分布。最终的漫反射效果可在围绕中心频率f0的一定带宽内实现。
作为优选，所述p为2，q为2。
作为优选，所述基板的声学阻抗至少为100倍的空气声学阻抗。散射体设时需选定某一中心频率f0，相邻两个凹槽中心位置间隔为λ/2，可设计为单频率和多频率施罗德散射体。单频率散射体的单元相位反馈针对中心频率f0设计。多频率施罗德散射体针对围绕中心频率f0周围的多个频率设计混合排列的凹槽单元，实现更宽带的漫反射。
作为优选，多频率的施罗德散射体选择的目标频率数为4。
有益效果：本发明可以在宽带实现声波的漫反射，和传统的施罗德散射体相比，具有接近的漫反射效果，同时可以减小材料的厚度，和传统施罗德的厚度λ/2相比，本发明的厚度只有λ/20，方便实际中的使用。
附图说明
图1为传统施罗德散射体的结构示意图。
图2为图1中凹槽的结构示意图。
图3为本发明单个周期的结构示意图。
图4为图3中凹槽的结构示意图。
图5为本发明的设计流程和p＝2,q＝2的样品照片。
图6为超薄施罗德散射体(MSD)的数值模拟和实验结果。
图7为多频率超薄施罗德散射体(BMSD)的设计流程和数值模拟和实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图3和图4所示，超薄施罗德单元为超薄的声学凹槽单元，厚度只有λ/20，宽度与传统施罗德的凹槽相同，凹槽结构如图4所示，颈口和槽底具有不同的宽度，颈口的宽度为w，槽底宽度为0.48λ，用声学凹槽单元的共振效应产生与传统的凹槽结构一样的声学属性，实现和传统施罗德散射体类似的效果。因此，我们设计的凹槽在表面的相位反馈应满足：
其中，n和m表示第n行，第m列的单元，modulo表示求余数。
如图5所示，为一种超薄施罗德散射体设计流出图。图5A展示了数值模拟的凹槽单元的相位反馈与参数w的关系，我们通过改变w来实现凹槽的相位调控，图5A三角形标出了相位2π×(0-6/7)，这7个离散的相位提供了施罗德数列中需要的7个值。图5B展示了一种7×7凹槽，数字0-6代表7个单元的相位反馈对应于2π×(0-6/7)，对应于图5A中的7个点，通过这个数列可以设计出最终的超薄施罗德散射体样品。图5C显示了7×7重复2×2(p＝2,q＝2)个周期，即14×14个凹槽单元的样品的俯视图。
结构参数：该样品作为一个例子，设计工作中心频率为f0＝6860Hz，样品尺寸为35cm×35cm×2.5cm，w取值范围如图5A所示，实际应用中可根据工作波长等比例调整样品尺寸。
为了定量表征漫散射效果，漫反射系数可以定义为：
其中Li是在样品各个方向的声压级，n是实验中接收器的数目，下标ψ是入射的角度。
为了进一步和平板的漫反射效果作比较，归一化的漫反射系数可以表达为：
dψ和dψ,r分别是计算得到的样品和一个平面的漫反射系数。
如图6所示，展示了超薄施罗德散射体的数值模拟和实验结果。图6A展示了超薄施罗德散射体(MSD)在直入射和45度斜入射时的反射场。对比图6B中平板(Plate)的实验(exp.)和模拟(sim.)结果，超薄施罗德的漫反射效果可以明显看到。图6C显示了直入射和45度入射的样品与平板指向性和声压场图结果吻合。图6D显示了传统施罗德散射体(SD)和超薄施罗德散射体(MSD)归一化漫反射系数d0,n和d45,n，可以看出在中心频率f0周围，约一个倍频程内，超薄施罗德可以很好地模拟传统施罗德散射体的漫反射效果。
为了获得更宽的带宽，可以设计针对多频率设计凹槽，形成对应不同频率的凹槽混合排列的散射体，如图7所示，显示了多频率超薄施罗德散射体(BMSD)的设计方法。图7A显示了四频率的7×7的数列形成了14×14的复合数列，根据这个数列设计混合排列的4种凹槽，4种凹槽对应4个不同频率，图中A，B，C，D分别代表了基于4种频率设计的凹槽单元，下标数字0-6代表了7种相位，图7B显示了14×14单元的样品照片。图7CD和7EF展示了2种多频率超薄施罗德的设计BMSD1和BMSD2，图7D和F的坐标轴标出了4个设计频率相对于中心频率f0＝6860Hz的位置分别是，BMSD1为5772Hz,6860Hz,8153Hz,11517Hz；BMSD2为6860Hz,8153Hz,9690Hz,11517Hz。图7C和7E显示4个频率的凹槽参数，图中显示了对应不同频率的凹槽，需设置不同的w，来实现想要的相位分布。图7D和7F显示了正入射和45度入射的漫反射因子d0,n和d45,n，对比了传统施罗德(SD)，超薄施罗德(MSD)和多频率超薄施罗德(BMSD)的结果，可以看出多频率超薄施罗德可以获得比超薄施罗德更宽的带宽和更高的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超薄的施罗德散射体，其特征在于：包括基板，所述基板上设有7×p行和7×q列个正方形凹槽，p和q为大于等于1的整数，正方形凹槽的边长为0.48λ，深度为0.04λ，凹槽设有正方形颈口，正方形颈口的宽度小于正方形凹槽的边长，颈口深度为0.01λ，λ为散射体针对某一中心频率f0所对应的声波波长，不同凹槽单元的颈口宽度w不同。
2.根据权利要求1所述的超薄的施罗德散射体，其特征在于：所述p为2，q为2。
3.根据权利要求1所述的超薄的施罗德散射体，其特征在于：所述基板的声学阻抗至少为100倍的空气声学阻抗。
4.根据权利要求1所述的超薄的施罗德散射体，其特征在于：相邻两个凹槽中心位置间隔为λ/2。
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