CN107331381A - 一种宽带声学耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带声学耦合器，包含圆柱形的壳体，在壳体的中心设有圆柱体，圆柱体与壳体之间通过圆周均布的至少两个螺距渐变的螺旋叶片连接。本发明的宽带声学耦合器，不同于利用多层阻抗梯度变化的材料或者截面积梯度变化的号筒状波导结构，在宽频带内对于阻抗失配的两种波导具有很好的耦合效果，而对该结构的制作材料也没有任何特别要求，只需要螺旋叶片、中心圆柱体和外部管形壳体的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，此外，这种耦合器对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用。由于具有宽频、环保、刚性、易于集成和良好的耦合效果，在声学换能器设计以及声学成像等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及宽带声学耦合器，属于声学领域。
背景技术
传统的用于实现阻抗匹配的结构通常有两种，一种是基于多种具有不同阻抗的材料按照阻抗梯度增加或者减小的方式排列所形成的多层结构，另一种是利用截面积梯度变化的号筒状波导结构，它们有各自的缺点和不足，严重影响了其在换能器设计等需要宽带阻抗匹配的领域的应用。
例如：具有阻抗梯度变化特征的多层结构，要求每一层介质的阻抗为特定的值，这种特定阻抗的材料在自然界中很难被直接找到，一般情况是通过合成的方法来制作阻抗值特定的材料，这种方法受到材料和工艺等的影响，实现难度相对较大，而且并不能严格保证合成得到的材料具有所设计的阻抗值，更重要的是，为了获得更好的耦合效果，在多层结构总长度特定的情况下，往往要求增加多层结构的层数，所带来的结果是每一层介质的厚度被要求进一步减小，这无疑进一步增加了耦合结构的制作难度；具有截面积梯度变化的号筒状结构，其不足之处在于截面积梯度变化带来的外部形状不规则，而且结构尺寸相对于工作波长较大，不易于和其它声学器件集成。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带声学耦合器，仅需利用螺距渐变的螺旋叶片，而且形状规则，具有宽频、环保、刚性、易于集成和良好的宽带耦合效果。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种宽带声学耦合器，包含圆柱形的壳体，在壳体的中心设有圆柱体，圆柱体与壳体之间通过圆周均布的至少两个螺距渐变的螺旋叶片连接。
作为优选，所述螺旋叶片的螺距为逐渐增大或者逐渐减小。
作为优选，所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的声学阻抗是基质空气的声学阻抗300倍及以上。空气的声阻抗为415N.s/m3，当螺旋叶片、中心圆柱体、外部管形壳体的声阻抗大于空气声阻抗的300倍时，声波垂直入射到空气与螺旋叶片、中心圆柱体或者外部管形壳体界面处的反射系数可以达到99.34％以上，此时可以将螺旋叶片、中心圆柱体或者外部管形壳体视为刚性材料。
作为优选，所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的材料为塑料。
作为优选，所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的材料为ABS塑料。
作为优选，所述螺旋叶片的数量为2-5个。
在本发明中，“宽带声学耦合器”依托于“声学超构材料”这一声学领域最前沿的研究成果，作为一种刚性的耦合器结构，它依靠的是自身独特的结构设计，不需要利用多层阻抗梯度变化的材料或者截面积梯度变化的号筒状结构就能够在阻抗失配的两种波导间实现很好的宽带耦合效果。而对该结构的制作材料也没有任何特别要求，只需要螺旋叶片、中心圆柱体和外部管形壳体的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，这一点在实际中很容易满足，例如塑料或者大多数的金属材料都能够达到上述要求，为实际的应用和推广提供了极大的便利。此外，这种耦合器对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用。由于具有宽频、环保、刚性和良好的耦合效果，在声学换能器设计以及声学成像等领域有广阔的应用前景。
有益效果：本发明的宽带声学耦合器，依靠的独特的结构设计，不需要利用多层阻抗梯度变化的材料或者截面积梯度变化的号筒状波导结构，在宽频带内对于阻抗失配的两种声波导具有很好的耦合效果，而对该结构的制作材料也没有任何特别要求，只需要螺旋叶片、中心圆柱体和外部管形壳体的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，此外，这种耦合器对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用。由于具有宽频、环保、刚性、易于集成和良好的耦合效果，在声学换能器设计以及声学成像等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的剖视示意图。
图3为图1中没有壳体的结构示意图。
图4为一种声学宽带耦合器的理论耦合效率示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，包括四个相同的螺距渐变的螺旋叶片2、中心圆柱体3、外部管形壳体1以及管道内基质空气。其中，整个耦合器长度和直径分别为L和D，中心圆柱体3的直径为d，螺旋叶片2的厚度为t2，外部管形壳体1厚度为t1，螺旋叶片的螺距为π*D*tan(α)，α为直径为D的螺旋线上的螺旋升角。由于螺旋升角在z轴方向的不同位置处是不一样的，沿着z轴方向是连续变化的，所以可以得出螺旋叶片的螺距是也是连续变化的。连续变化的螺距会带来连续变化的螺旋通道高度、连续变化的螺旋通道截面积，最终产生一个连续变化的等效声阻抗，而且，这个等效声阻抗值在一个较宽的频率范围内几乎不发生变化，具有很弱的色散特性，这是实现宽带阻抗匹配或者说宽带高效耦合的关键。因此，当被耦合的两种介质的阻抗分别和耦合器两端的等效阻抗相等时，可以在这两种不同阻抗的介质之间实现宽频的耦合效果。这里，螺旋叶片的螺距在z轴方向的变化规律，可以是线性变化的，也可以按照指数形式进行分布，只需要保证其是连续变化的即可，至于具体的螺距分布规律可以综合考虑实际需要的耦合效果以及相应样品制作简易度来进行选择。其中，两端的螺距需要根据被耦合的两种介质来确定。一条曲线上的任意一点都有切线，有了切线就有了切角，对于三维的螺旋线就是螺旋升角，因此，螺旋升角和螺距是等价的描述，但是螺距是常见的一个参数，所以这里用螺距来表示。因为文中提到，螺距是连续变化的，可以是线性的，也可以按照指数函数形式分布；那么这个分布曲线，肯定有一个起始点，有一个终点，起始点和终点的螺距就对应耦合器两端的螺距，是两端的第一个螺距。本发明主要利用梯度阻抗介质的宽带阻抗匹配特性来实现宽带声耦合。
如图1所示，本发明中，整个耦合器长度和直径分别为L和D，中心圆柱体3的直径为d，每个螺旋叶片2的厚度均为t2，外部管形壳体1厚度为t1，区域Ⅳ中的背景媒质以及四个螺旋叶片2所围成的四个螺旋通道中填充的都是空气。图1中螺旋叶片的螺距是逐渐变化的，这个可以从螺旋升角的变化可以看出。声学宽带耦合器中的几何参数可以灵活调整以适应实际中的具体要求，如在我们所进行的仿真验证中，设定t1＝1.0mm，t2＝0.6mm，d＝6.0mm，D＝30mm，L＝30mm，螺距分布规律满足e指数分布：-6.74*e(z/22.38)+31.38mm，这里z的取值范围是0到30。因此，根据耦合器两端螺距值所对应的等效声阻抗，这里我们选择被耦合的两种介质的阻抗分别为7816kg/(m2s)和1211kg/(m2s)，两种介质的形状均为直径为30mm的圆柱形。值得说明的是，我们所设计的超宽带声学吸收体对螺旋叶片、中心圆柱体及外部管形壳体的材料没有严格的限制，只要满足空气中的声学刚性材料的要求即可，即该材料的声学阻抗远大于空气的声学阻抗，而这在实际中很容易实现，如塑料、大多数的金属或者合金都是很好的声学刚性材料。
一般地，声学信号都有一定的带宽，宽带耦合器保证了我们所需要的宽带信号的各种频率成分都能从一种介质几乎无能量损耗地到达另外一种介质中，达到小尺寸、宽频的耦合效果，极大地保证了宽带信号的传输质量。
如图4所示，横轴是入射声波的频率，纵轴是耦合系数，从结果中可以看出，在1500Hz-11000Hz这个超宽带范围内，含有耦合器时耦合系数达到0.8以上，相比于没有耦合器时耦合系数只有0.42，耦合效率提高了38％以上；而且在多个特定频率处，理论透射系数达到1。
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 (6)
1.一种宽带声学耦合器，其特征在于：包含圆柱形的壳体，在壳体的中心设有圆柱体，圆柱体与壳体之间通过圆周均布的至少两个螺距渐变的螺旋叶片连接。
2.根据权利要求1所述的宽带声学耦合器，其特征在于：所述螺旋叶片的螺距为逐渐增大或者逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的宽带声学耦合器，其特征在于：所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的声学阻抗是基质空气的声学阻抗300倍及以上。
4.根据权利要求3所述的宽带声学耦合器，其特征在于：所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的材料为塑料。
5.根据权利要求4所述的宽带声学耦合器，其特征在于：所述壳体、圆柱体和螺旋叶片的材料为ABS塑料。
6.根据权利要求1所述的宽带声学耦合器，其特征在于：所述螺旋叶片的数量为2-5个。
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