CN107016989B - 一种声波透射隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波透射隔离器，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有第二超胞均位于所有第一超胞的左侧，第一超胞和第二超胞均包括第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元及第六相位单元；第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元至第六相位单元的顺序进行排列，第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与第一超胞中的排列顺序相反；从第一相位单元至第六相位单元的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成。本发明在使用的过程中不但能够对入射角小于阈值的两列准相交的声波进行隔离，而且同时保全了两列声波各自的声信号。

Description

一种声波透射隔离器

技术领域

本发明涉及声波隔离技术领域，特别是涉及一种声波透射隔离器。

背景技术

随着科学技术的发展，声波的应用也越来越广泛。在实际应用中，可能经常遇到两列准相交的声波，在两列准相交的声波相交后就会出现声信号的叠加和交互，但是，有时候需要将两列准相交的声波隔离开，以便于两列准相交的声波在传输过程中不受彼此信号的干扰，独立进行传播。

现有技术中，通常采用阻止声波的传输、对声波进行吸收或将声波进行散射的方式来实现两列准相交的声波的隔离，但是，采用现有的方法对两列准相交的声波进行隔离会在一定程度上破坏声信号，使其不能保持各自原来的特性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的声波透射隔离器成为本领域的技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种声波透射隔离器，在使用过程中不但能够对入射角小于等于阈值的两列准相交的声波进行隔离，而且同时保全了两列声波各自的声信号。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种声波透射隔离器，所述装置为声学超表面结构，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有所述第二超胞均位于所有所述第一超胞的左侧，所述n和所述m均为大于1的正整数，其中：

所述第一超胞和所述第二超胞均包括第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元；所述第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元至第六相位单元的顺序进行排列，所述第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与所述第一超胞中的各个相位单元的排列顺序相反；所述第一相位单元、所述第二相位单元、所述第三相位单元、所述第四相位单元、所述第五相位单元以及所述第六相位单元的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成。

可选的，所述第一超胞和所述第二超胞的几何参数依据入射声波的波长进行确定；

可选的，所述第一超胞和所述第二超胞的几何长度与入射声波的波长之间的关系依据第一关系式进行确定。

可选的，所述第一关系式为D＝2.88λ，其中，D表示所述第一超胞和所述第二超胞的几何长度，λ表示所述入射声波的波长。

可选的，所述预设值为π/3。

可选的，所述n为5。

可选的，所述m为5。

可选的，如上述所述的声波透射隔离器，所述赫姆霍兹共振腔为长方体形赫姆霍兹共振腔。

可选的，如上述所述的声波透射隔离器，所述声学超表面结构为采用铜制作而成的声学超表面结构。

本发明提供了一种声波透射隔离器，装置为声学超表面结构，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有第二超胞均位于所有第一超胞的左侧，n和m均为大于1的正整数，其中：第一超胞和第二超胞均包括第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元；第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元至第六相位单元的顺序进行排列，第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与第一超胞中的各个相位单元的排列顺序相反；第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成。

本发明中的各个相位单元均由与之相应的赫姆霍兹共振腔和折叠空间耦合而成，赫姆霍兹共振腔结构可以使该结构具有较高的透射率，折叠空间可以使每个相位单元具有特定的相位，使各个相位单元之间具有相应的相位变化，本发明中的第一超胞和第二超胞的排列方式可以使两列准相交的声波通过本发明所提供的声波透射隔离器后，左侧的一列声波的传播方向向左发生偏转，右侧的一列声波的传播方向向右侧发生偏转，从而将入射角小于等于阈值的两列准相交的声波隔离开。本发明在使用的过程中不但能够对入射角小于等于阈值的两列准相交的声波进行隔离，而且同时保全了两列声波各自的声信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种声波透射隔离器的结构示意图；

图2为一列声波透过隔离器后发生偏转的原理图；

图3为本发明提供的另一种声波透射隔离器的结构示意图；

图4为本发明提供的各个相位单元的俯视结构示意图；

图5为本发明所提供的各个相位单元的透射率及相位示意图；

图6为两列准相交的声波透过声波透射隔离器后相离传播的示意图；

图7为两列准相交的声波透过声波透射隔离器后平行传播的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种声波透射隔离器，在使用过程中不但能够对入射角小于等于阈值的两列准相交的声波进行隔离，而且同时保全了两列声波各自的声信号。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种声波透射隔离器的结构示意图。

该装置为声学超表面结构，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有第二超胞均位于所有第一超胞的左侧，n和m均为大于1的正整数，其中：

第一超胞和第二超胞均包括第一相位单元1、第二相位单元2、第三相位单元3、第四相位单元4、第五相位单元5以及第六相位单元6；第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元1至第六相位单元6的顺序进行排列，第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与第一超胞中的各个相位单元的排列顺序相反；第一相位单元1、第二相位单元2、第三相位单元3、第四相位单元4、第五相位单元5以及第六相位单元6的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成。

需要说明的是，本发明所提供的是一声波透射隔离器，该声波透射隔离器是一种声学超表面结构，该结构中的超胞有两种，一种是第一超胞，另一种是第二超胞，第一超胞和第二超胞所包括的相位单元的种类是一样的，即均包括第一相位单元1、第二相位单元2、第三相位单元3、第四相位单元4、第五相位单元5和第六相位单元6，假设第一相位单元1、第二相位单元2、第三相位单元3、第四相位单元4、第五相位单元5和第六相位单元6分别用相应的数字1、2、3、4、5和6表示，则第一超胞和第二超胞的区别在于第一超胞中的六个相位单元从左至右按照123456的顺序依次进行排列，第二超胞中的六个相位单元从左至右按照654321的顺序依次进行排列。每个超胞的相位跨度均为2π，相邻两个相位单元的相位差为预设值，例如，设第一个相位单元的相位为0，预设值为π/3，则第二个相位单元的相位为π/3，第三个相位单元的相位为2π/3，第四个相位单元的相位为π，第五个相位单元的相位为4π/3，第六个相位单元的相位为5π/3，按照123456顺序排列的六个相位单元的相位依次增加(即第一超胞的相位梯度为正数)，；按照654321的顺序排列的六个相位单元的相位依次降低(即第二超胞的相位梯度为负数)。

具体的，第一超胞和第二超胞中的各个相位单元均由与其相应的赫姆霍兹共振腔和折叠空间耦合而成，赫姆霍兹共振腔和折叠空间使每个相位单元具有与之相应的透射率和相位。其中，赫姆霍兹共振腔可以使相位单元具有较高的透射率以使声波保持其原有的特性，折叠空间可以使相应的相位单元具有特定的相位，使通过该结构后的声波的同相位面的方向改变，同时使声波的传播方向发生一定的偏转。如图2所示，图2为一列声波透过隔离器后发生偏转的原理图。例如，该列声波垂直于由多个第一超胞构成的声学超表面结构(图2的中间部分)时，声波从该声学超表面的下方垂直入射，从该声学超表面的上方透射出去，声波入射至该声学超表面结构之前声波的同相位面是平行于声学超表面结构的(即水平方向)，由于第一超胞中的各个相位单元按照123456的顺序进行排列，也就是第一超胞的相位梯度为正数，当该列声波的子声波分别透过相应的各个相位单元时，各列子声波的相位就会发生相应的变化，使通过各个相位单元的子声波波前不能同时到达平行于声学超表面结构的相位面。具体的，对于同一个同相位面，透过第一相位单元1的子声波先到达，透过第六相位单元6的子声波最后到达，从而使该列声波透过声学超表面结构后，其同相位面的方向则发生了改变，即同相位面向左上方倾斜，因声波的传播方向与同相位面的方向垂直，故声波穿过由第一超胞构成的声学超表面结构后沿右上方的方向向右前方传播，故通过由第一超胞构成的声学超表面结构的声波的传播方向将向右侧发生偏转。同理，该声波经过由第二超胞构成的声学超表面结构的声波的传播方向将向左侧发生偏转。故，对于两列准相交的声波而言，使这两列准相交的声波通过由多个第一超胞和多个第二超胞构成的声学超表面结构(声波透射隔离器)，即所有的第二超胞均在所有的第一超胞的左侧，也就是相位单元按照654321654321…654321123456…123456的顺序进行排列，可以使两列准相交的声波中的位于左侧这一列声波透过由第二超胞构成的声学超表面结构时其传播方向向左发生偏转，使位于右侧这一列声波透过由第一超胞构成的声学超表面结构时其传播方向向右侧偏转，当然，其具体偏转角度应根据声波的入射角进行确定，当声波的入射角小于等于阈值时，两列准相交的声波透过本发明所提供的声波透射隔离器后就会相离传播或平行传播，以进一步使透过该声学超表面结构的两列准相交的声波隔离开来，使其在传播的过程中不相交。

还需要说明的是，赫姆霍兹共振腔可以采用长方体形腔也可以采用球体腔或者其他具体的形状，当赫姆霍兹共振腔和折叠空间的具体结构确定后，可以采用3D打印技术将其制造出来以进行使用。

本发明提供了一种声波透射隔离器，装置为声学超表面结构，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有第二超胞均位于所有第一超胞的左侧，n和m均为大于1的正整数，其中：第一超胞和第二超胞均包括第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元；第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元至第六相位单元的顺序进行排列，第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与第一超胞中的各个相位单元的排列顺序相反；第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成。

本发明中的各个相位单元均由与之相应的赫姆霍兹共振腔和折叠空间耦合而成，赫姆霍兹共振腔结构可以使该结构具有较高的透射率，折叠空间可以使每个相位单元具有特定的相位，使各个相位单元之间具有相应的相位变化，本发明中的第一超胞和第二超胞的排列方式可以使两列准相交的声波通过本发明所提供的声波透射隔离器后，左侧的一列声波的传播方向向左发生偏转，右侧的一列声波的传播方向向右侧发生偏转，从而将入射角小于等于阈值的两列准相交的声波隔离开。本发明在使用的过程中不但能够对入射角小于等于阈值的两列准相交的声波进行隔离，而且同时保全了两列声波各自的声信号。

请参照图3，图3为本发明提供的另一种声波透射隔离器的结构示意图。在上述实施例的基础上：

可选的，赫姆霍兹共振腔为长方体形赫姆霍兹共振腔。

请参照图4，图4为本发明提供的各个相位单元的俯视结构示意图。具体的，本申请中所提供的赫姆霍兹共振腔可以为长方体形腔，各个相位单元的具体结构可以参照图2中的所示的各个相位单元的俯视图，其中，从左至右依次为第一个相位单元11、第二个相位单元12、第三个相位单元13、第四个相位单元14、第五个相位单元15以及第六个相位单元16，各个相位单元中与之相应的左右两个侧壁构成了相应的赫姆霍兹共振腔，腔中的挡板构成了相应的折叠空间以确定各个相位单元的相位。

请参照图5，图5为本发明所提供的各个相位单元的透射率及相位示意图，其中，虚线上的各个实点表示各个相位单元对应的相位，从第一个相位单元11至第六个相位单元16的相位依次增加；其他散点式分布的实点为相应的相位单元的透射率，由图可知本发明所提供的各个相位单元均具有较高的透射率，以确保声波在透过声波透射隔离器后还能保持原有的特性。

可选的，第一超胞和第二超胞的几何参数依据入射声波的波长进行确定，且第一超胞和第二超胞的几何长度与入射声波的波长之间的关系依据第一关系式进行确定。

可选的，第一关系式为D＝2.88λ，其中，D表示第一超胞和第二超胞的几何长度，λ表示入射声波的波长。

需要说明的是，对于每个频率的声波，总存在与之对应的六个相位单元，并且当声波的波长确定时，第一超胞和第二超胞的几何参数与声波的波长具有一定的对应关系。例如，第一超胞和第二超胞的几何长度可以根据关系式D＝2.88λ进行确定，对于不同波长的声波均可以依据该关系式确定第一超胞和第二超胞的几何长度l。另外，当两列准相交的声波在空气中传播时，可以根据广义snell定律

(θ_t为折射角，θ_i为入射角)和关系式D＝2.88λ，可得

若使两列准相交的声波透过该声波透射隔离器后可以平行传播，也就是使θ_t＝0，则sin(θ_t)＝0，从而得出两列准相交的声波此时的入射角为±23.32°，也就是此时的阈值为20.32°。当两列准相交的声波的入射角的大小小于20.32°时(例如10.16°)，此时，这两列准相交的声波透过声波透射隔离器后将相离传播，如图6所示，图6为两列准相交的声波透过声波透射隔离器后相离传播的示意图；当两列准相交的声波的入射角的大小等于20.32°时，此时，这两列准相交的声波透过声波透射隔离器后将平行传播，如图7所示，图7为两列准相交的声波透过声波透射隔离器后平行传播的示意图；如果两列准相交的声波的入射角的大小大于20.32°，则这两列准相交的声波透过声波透射隔离器后将相交，此时不能对这两列准相交的声波进行隔离。

可选的，预设值为π/3。

需要说明的是，从第一个相位单元11至第六个相位单元16，各个相位单元的相位均依次增加，并且两个相邻相位单元之间的相位差为可以π/3。当然，该预设值不仅限于为π/3，还可以为其他的具体数值，该具体数值可以稍微大于或稍微小于π/3，具体取值可以根据实际情况而定，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

可选的，n为5。

可选的，m为5。

需要说明的是，如图3所示，本实施例中所提供的声波透射隔离器中的第一超胞的个数可以为5个，第二超胞的个数也可以为5个。当然，第一超胞和第二超胞的个数不一定相等，n和m的具体取值应根据两列准相交的声波各自的具体宽度进行确定，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

可选的，如上述的声波透射隔离器，声学超表面结构为采用铜制作而成的声学超表面结构。

需要说明的是，由于铜材料的结构简单、牢固，并且可靠性强，故本发明所提供的声波透射隔离器可以采用铜材料制作而成，也就是该装置中的各个第一超胞和各个第二超胞均可以采用铜制作而成，具体的可以采用3D打印技术制造出来。

当然，还可以采用其他的材料，具体采用哪种材料可以根据实际情况而定，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种声波透射隔离器，其特征在于，应用于入射角小于或等于阈值的两列准相交的入射声波，声波透射隔离器为声学超表面结构，包括n个横向排列的第一超胞和m个横向排列的第二超胞，所有所述第二超胞均位于所有所述第一超胞的左侧，所述n和所述m均为大于1的正整数，其中：

所述第一超胞和所述第二超胞均包括第一相位单元、第二相位单元、第三相位单元、第四相位单元、第五相位单元以及第六相位单元；所述第一超胞中的各个相位单元按照第一相位单元至第六相位单元的顺序进行排列，所述第二超胞中的各个相位单元的排列顺序与所述第一超胞中的各个相位单元的排列顺序相反；所述第一相位单元、所述第二相位单元、所述第三相位单元、所述第四相位单元、所述第五相位单元以及所述第六相位单元的相位依次增大，且相邻两个相位单元的相位差为预设值；各个相位单元均由赫姆霍兹共振腔和折叠空间组成；

其中，各所述相位单元均由与所述相位单元相应的赫姆霍兹共振腔和与所述相位单元相应的折叠空间耦合而成，一个所述相位单元中的两个侧壁构成与所述赫姆霍兹共振腔，所述赫姆霍兹共振腔中的挡板构成与所述折叠空间以确定所述相位单元的相位。

2.根据权利要求1所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述第一超胞和所述第二超胞的几何参数依据所述入射声波的波长进行确定。

3.根据权利要求2所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述第一超胞和所述第二超胞的几何长度与所述入射声波的波长之间的关系依据第一关系式进行确定。

4.根据权利要求3所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述第一关系式为D＝2.88λ，其中，D表示所述第一超胞和所述第二超胞的几何长度，λ表示所述入射声波的波长。

5.根据权利要求4所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述预设值为π/3。

6.根据权利要求5所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述n为5。

7.根据权利要求6所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述m为5。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述赫姆霍兹共振腔为长方体形赫姆霍兹共振腔。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的声波透射隔离器，其特征在于，所述声学超表面结构为采用铜制作而成的声学超表面结构。

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