CN107959482B - 一种通道数可调的声频梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通道数可调的声频梳状滤波器，包括置于两端的声波起振器和中间的声波振荡腔。声波起振器的结构为具有变截面周期结构的波导，声波振荡器的结构为一段长直管波导。这种声频梳状滤波器的谱带特征为：在特定的频率范围内，通带和禁带呈一定频率间隔交替排列，形成多个等频率间隔的透射峰，形状类似于梳齿。本发明声频梳状滤波器不仅能实现多通道滤波，还具备通道数可调谐的功能。该梳状滤波器性能稳定，易调控，滤波器效率高，可满足实际系统的应用要求。

Description

一种通道数可调的声频梳状滤波器

技术领域

本发明涉及一种通道数可调的声频梳状滤波器，属于多通道声频滤波技术领域。

背景技术

梳状滤波器一直受到各国研究机构及研究员的广泛关注。研发梳状滤波器不仅具有很高的理论研究价值，还具有广阔的应用前景。无论是在人们日常生活的电子设备技术领域，迅速成为物理学精密测量热点的光频的精密测量领域，还是仍具有很大研究空间的声子系统领域，都不可忽视梳状滤波器的发展与应用。

1999年，得益于飞秒激光技术的重要发展和超连续光谱的实现，霍尔的研究组率先第一个在实验上实现了飞秒频率梳。2004年，陈海星等介绍了一种通过使用多个薄膜法布里珀罗滤光片的叠加来实现密集波分复用中使用的梳状滤波器的设计的新方法。2005年，NIST的叶军小组(原霍尔小组)及MPQ的亨施小组几乎同时报告了利用共振增强飞秒激光产生气体高次谐波而实现极紫外频率梳的研究。2006年，Takeshi等设计了一种太赫兹频率梳，其谱带可利用多频外差作用的光电导方法进行探测，在太赫兹光谱中具有高精度高分辨率的特性。2010年，董新永等利用级联长周期光纤光栅与具有宽带反射功能的啁啾光纤光栅，构成了一种反射型的光纤光栅梳状滤波器。2014年，南京大学王牧教授和彭茹雯教授研究组发现了一种新型声子频率梳，利用解析分析和数值模拟等手段揭示了这种声子频率梳的产生机制，并给出了其物理特性。2015年，美国加利福尼亚州立大学的一个研究团队创建了一种“频率梳”装置，预测并解决光纤传播信息过程中的信号失真问题。

近年来，在梳状滤波器的设计与优化领域申请了很多专利。2013年，上海贝岭股份有限公公开了一种多通道高速梳状滤波，通过优化梳状滤波器的架构，将梳状滤波器分解为呈多相并列结构的梳状滤波器，从而提高了梳状滤波器的工作频率，实现了高速梳状滤波。2014年，华南师范大学申请了一种光控调谐光纤梳状滤波器的专利，这种光纤梳状滤波器由两只3dB光纤耦合器、一条长干涉臂和一条短干涉臂组成，具有中心波长连续可调的优质特性。2017年，苏州富电通讯有限公司设计了一种介质梳状滤波器，通过设置连接孔和谐振孔，有效增大了耦合量，增加了带宽，从而解决了现有的介质滤波器带宽较小不能满足实际需求的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种通道数可调的声频梳状滤波器。

本发明的目的是这样实现的：包括中间的声波振荡腔和设置在声波振荡腔两端的两个声波起振器，每个声波起振器是变截面周期结构波导，声波起振器的波导是两种不同半径的圆管交错相接而成的管状周期结构，中间的声波振荡腔是一段长直管状波导，两端的声波起振器与中间的声波振荡腔通过螺纹相连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.两种不同半径的圆管的半径分别为r₁和r₂，且有r₁＞r₂，周期数为五。

2.中间的声波振荡腔的内径等于r₂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是将声波场与周期结构波导的相互作用应用于声频梳状滤波器的研究，不仅可实现了多通道滤波，还实现了多功能可调谐的特性。从理论上对声波在梳状滤波器中的传输机理进行研究。分析了波导内布拉格共振与梳状滤波器的声波起振器中周期结构的关系，布拉格共振可引起谱带断裂，形成频域禁带，通过改变声波起振器中周期结构的几何参数可以控制通带和禁带的范围和位置。梳状滤波器的声波振荡器可实现多波长梳状透射，且通过调节声波振荡器的长度，可对梳状滤波器的通道个数进行选择。本发明的优点有：1、不仅实现了多通道滤波，且通道数目亦可调。2、通过调整声波起振器的周期结构个数，可调控通道隔离度和通道宽度。3、每个通道的透过率都很高，滤波效果明显。4、通过调整声波起振器和声波振荡腔的结构参数，可有效调控滤波器工作频率范围。5、材料单一易采购，价格便宜，结构简单易加工，可进行大规模的生产及应用。

附图说明

图1为多通道可调谐声频梳状滤波器的结构示意图；

图2为多通道可调谐声频梳状滤波器的透射频谱图；

图3为多通道可调谐声频梳状滤波器的声场分布图；

图4为多通道可调谐声频梳状滤波器的不同重复周期个数对比图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供一种通道数可调的声频梳状滤波器，包括置于两端的声波起振器1、2中间的声波振荡腔3，声波起振器是两个具有相同规格参数的变截面周期结构波导，波导具体为两种不同半径的圆管交替相接而成的管状周期结构；中间的声波振荡腔为一段长直管状波导。两端的声波起振器与中间的声波振荡腔通过螺纹相连接。声波起振器1和2是两个具有相同规格参数的变截面周期结构波导，波导具体为两种粗细的圆管交替相接而成的管状周期结构，粗管半径为r₁，细管半径为r₂；粗管加细管的长度为波导的周期长度，用Λ表示，周期的个数为5。中间的声波振荡腔为一段长直管状波导，其半径与细管半径相同为r₂，波导的长度为L。声波起振器1、2与中间的声波振荡腔3通过螺纹相连接。调整声频梳状滤波器的尺寸可以改变声频梳状滤波器的工作频率范围。改变声频梳状滤波器中声波振荡腔的尺寸可以实现多通道滤波，并且通道个数也可根据声波振荡腔的长度进行调谐。改变声频梳状滤波器中声波起振器1和2的周期个数，可调控通道隔离度和通道宽度。声频梳状滤波器内部中空，声波起振器和声波振荡腔的管壁材料相同，可以是不锈钢或混凝土等声阻抗较大的材料，材料厚度大于4mm。图1中的结构是由置于两端的声波起振器1、2和中间的声波振荡腔3构成：声波起振器1和2是两个具有相同规格参数的变截面周期结构波导，中间的声波振荡腔为一段长直管状波导。声波起振器1和2与声波振荡腔均由螺纹相连接，声波从滤波器左端入射，右端为出口。Λ为声波起振器的周期长度；r₁为声波起振器的粗管半径；r₂为声波起振器的细管半径；L为声波振荡腔的长度。

图2中的声波在梳状滤波器中传播，其透射谱中通带和禁带呈一定频率间隔交替排列，形成了多个等频率间隔的透射峰，形状类似于梳齿。透射峰的带宽较窄，透过率较高，透射峰之间的频率间隔较为固定，滤波效果较好。

图3中声能量大部分都集中在声频梳状滤波器中间的声波振荡腔内，且声能量均匀地分布在声波的振荡腔内，因此从声场来看，梳状滤波器的工作状态较为稳定。

图4中梳状滤波器中声波起振器的重复周期个数分为4、5、6，分别由透射谱中点划线、虚线和实线来表示。声波起振器不同重复周期个数可引起频谱中通道带宽的变化。

本发明的原理是：

由于周期结构的影响，声波在周期变截面波导中传播时会形成特殊的谱带结构。有些频率的声波可以透过，形成通带；而有些频率的声波则衰减很大，形成禁带。本发明中梳状滤波器两端的声波起振器采用了这种周期变截面结构。声波通过这种周期变截面结构后，由于布拉格共振使谱带分裂，导致频谱中特定的频率范围会产生禁带。而在声波起振器的中间加入一个声波振荡腔后，其谱带结构会发生变化：在原本的禁带中，通带和禁带呈一定频率间隔交替排列，形成多个等频率间隔的透射峰，形状类似于梳齿。

布拉格共振的频率与周期起伏结构参数之间的关系如下：

其中，c为声速，f为透射谱的中心频率，k_r为一阶Bessel函数的零点，k_r＝{0,3.8317,7.0156,10.1735,....}。r₀是声波起振器的平均内径，Λ是声波起振器的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3…

从图3中可明显看到，梳状滤波器两端的声波起振器具有特殊的周期结构，起到反射声波的作用，因此，大量的声能量都被反射至声波振荡腔中。由于强烈的布拉格共振作用，声波振荡腔可使某些特定的声波在这种中空的金属腔中振荡，从而使频谱中原来是禁带的频率范围内，透射出多个峰，形成了多个通道，从而实现了梳状滤波器多通道滤波的功能。

下面给出本申请结合数值的具体实施例：

在图1中多通道可调谐声频梳状滤波器的具体参数为：声波起振器的周期长度Λ为60mm，粗管半径r₁为44mm，细管半径r₂为36mm，周期个数为5。声波振荡腔的长度L为120mm。声波起振器1和2与声波振荡腔均由螺纹相连接。通过调节声波振荡腔的长度L，不仅可以实现多通道滤波，而且梳状滤波器频谱中的通道个数(梳齿个数)也可选择。当声波振荡腔的长度L小于Λ时，滤波器频谱中只有一个峰，为单通道滤波器；只有当声波振荡腔的长度L大于Λ时，梳状滤波器频谱中才会出现多个透射峰。当声波振荡腔的长度过大时，梳状滤波器频谱中部分透射峰的透过率会降低，因此，尽量调整声波振荡腔的长度L小于50Λ的情况下工作。

在图2多通道可调谐声频梳状滤波器的透射谱中，共9个透射峰，从相对低频的透射峰开始，分别为2242Hz、2355Hz、2474Hz、2596Hz、2720Hz、2844Hz、2968Hz、3090Hz、3208Hz。每个峰之间的频率间隔较为固定，在120Hz左右，且透射峰的透过率均接近于1，间隔的频率范围透过率接近于0。因此，这种声频梳状滤波器具有滤波通道个数多、透过率高、频率间隔固定等优良的滤波特性。

图4中的多通道可调谐声频梳状滤波器，通过改变其声波起振器的重复周期个数，可以调控频谱中透射峰(梳齿)的频宽。图中蓝色点划线、红色虚线和黑色实线分别代表声波起振器的重复周期个数分为4、5、6的透射谱，对应透射峰的平均半高全宽分别为10Hz、5Hz、3Hz。从图中可明显分析出，增加声波起振器的重复周期个数可减小声频梳状滤波器通道的频宽，相反，减小声波起振器的重复周期个数可增加声频梳状滤波器通道的频宽，从而实现了对声频梳状滤波器通道频宽的调控。

综上，本发明公开了一种通道数可调的声频梳状滤波器。包括置于两端的声波起振器和中间的声波振荡腔。声波起振器的结构为具有变截面周期结构的波导，声波振荡器的结构为一段长直管波导。这种声频梳状滤波器的谱带特征为：在特定的频率范围内，通带和禁带呈一定频率间隔交替排列，形成多个等频率间隔的透射峰，形状类似于梳齿。本发明声频梳状滤波器不仅能实现多通道滤波，还具备通道数可调谐的功能。该梳状滤波器性能稳定，易调控，滤波器效率高，可满足实际系统的应用要求。

Claims (3)

1.一种通道数可调的声频梳状滤波器，其特征在于：包括中间的声波振荡腔和设置在声波振荡腔两端的两个声波起振器，每个声波起振器是变截面周期结构波导，声波起振器的波导是两种不同半径的圆管交错相接而成的管状周期结构，中间的声波振荡腔是一段长直管状波导，两端的声波起振器与中间的声波振荡腔通过螺纹相连接，且中间的声波振荡腔的长度大于一个周期结构波导的长度，改变声波振荡腔的尺寸实现多通道滤波，并且通道个数根据声波振荡腔的长度进行调谐；改变声频梳状滤波器中声波起振器的周期个数，可调控通道隔离度和通道宽度。

2.根据权利要求1所述的一种通道数可调的声频梳状滤波器，其特征在于：两种不同半径的圆管的半径分别为r₁和r₂，且有r₁＞r₂，周期数为五。

3.根据权利要求2所述的一种通道数可调的声频梳状滤波器，其特征在于：中间的声波振荡腔的内径等于r₂。

Images