CN108922511B - 一种声学超表面结构及声学天线装置 - Google Patents

一种声学超表面结构及声学天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声学超表面结构，包括第一超胞和与第一超胞横向连接的第二超胞，第一超胞和第二超胞镜像对称；第一超胞包括N个横向排列的第一超胞单元，从对称面起各个第一超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低，第二超胞包括N个横向排列的第二超胞单元，从对称面起各个第二超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低；N不小于2。本申请在使用过程中能够将柱面波或球面波转化为平面波，实现对声波的定向，且本申请中的超胞单元的结构简单，整体透射率较高，从而能够保证声信号在传播过程中的强度。本发明中的声学天线装置同样具有上述相同的有益效果。

Description

一种声学超表面结构及声学天线装置
技术领域
本发明实施例涉及声学技术领域，特别是涉及一种声学超表面结构及声学天线装置。
背景技术
随着科学技术的发展，声波的应用也越来越广泛。目前，多数声源是线声源或点声源，线声源发射的为柱面波，点声源发射的为球面波，而声信号的接收是需要以平面波的形式进行接收的，故需要将柱面波或球面波转换为平面波，实现对声波的定向。
现有技术中主要是采用基于相位排布的声学超表面结构实现从柱面波或球面波向平面波的转换，实现对声波的定向，但是，由于基于相位排布的声学超表面结构中的各个超胞单元的内部结构需要依据相应的相位进行设计，结构复杂，导致声学超表面结构的整体透射率降低，且转换效率低，影响声信号在传播过程中的强度。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的声学超表面结构及声学天线装置成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种声学超表面结构和声学天线装置，在使用过程中能够将柱面波或球面波转化为平面波，实现对声波的定向，且结构简单，整体透射率较高，转换效率高，能够保证声信号在传播过程中的强度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种声学超表面结构，包括第一超胞和与所述第一超胞横向连接的第二超胞，所述第一超胞和所述第二超胞镜像对称；所述第一超胞包括N个横向排列的第一超胞单元，从对称面起各个所述第一超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低，所述第二超胞包括N个横向排列的第二超胞单元，从所述对称面起各个所述第二超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低；所述N不小于2。
可选的，还包括中心超胞单元，所述第一超胞通过所述中心超胞单元与所述第二超胞横向连接，所述第一超胞和所述第二超胞以所述中心超胞单元为中心镜像对称；与所述中心超胞单元直接连接的第一超胞单元和第二超胞单元的折射率均小于所述中心超胞单元。
可选的，所述预设规则为第一计算关系式，所述第一计算关系式为:
Figure BDA0001720537520000021
其中，n0为所述中心超胞单元的折射率，y0为所述中心超胞单元的焦距，x为第i个超胞单元距离所述中心超胞单元中心点的距离，ni为第i个超胞单元的折射率，h为所述声学超表面结构的厚度，i∈[1,n]。
可选的，所述中心超胞单元的折射率为17或20。
可选的，所述y0为20cm～100cm。
可选的，各个所述第一超胞单元、所述中心超胞单元和各个所述第二超胞单元的外形尺寸相同。
可选的，所述声学超表面结构的高度为λ/20，λ为入射声波的波长。
本发明实施例还提供了一种声学天线装置，包括如上述所述的声学超表面结构。
可选的，所述声学超表面结构为多个。
可选的，各个所述声学超表面结构形成多面环形结构。
本发明实施例提供了一种声学超表面结构，包括第一超胞和与第一超胞横向连接的第二超胞，第一超胞和第二超胞镜像对称；第一超胞包括N个横向排列的第一超胞单元，从对称面起各个第一超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低，第二超胞包括N个横向排列的第二超胞单元，从对称面起各个第二超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低；N不小于2。
可见，本申请中的第一超胞和第二超胞镜像对称，各个第一超胞单元的折射率和各个第二超胞单元的折射率均从对称面起向外依次降低，在使用过程中能够将柱面波或球面波转化为平面波，实现对声波的定向，由于各个第一超胞单元和各个第二超胞单元均是基于不同折射率进行排布的，所以本申请中的超胞单元的结构简单，整体透射率较高，转换效率高，从而能够保证声信号在传播过程中的强度。另外，本发明实施例中的声学天线装置同样具有上述相同的有益效果。
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为本发明实施例提供的一种声学超表面结构的剖面示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种声学超表面结构的剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种声学天线装置产生的声学天线效果图；
图4为本发明实施例提供的另一种声学天线装置产生的声学天线效果图；
图5为本发明实施例提供的另一种声学天线装置产生的声学天线效果图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种声学超表面结构和声学天线装置，在使用过程中能够将柱面波或球面波转化为平面波，实现对声波的定向，且结构简单，整体透射率较高，转换效率高，能够保证声信号在传播过程中的强度。
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为本发明实施例提供的一种声学超表面结构的结构示意图。该声学超表面结构，包括第一超胞1和与第一超胞1横向连接的第二超胞2，第一超胞1和第二超胞2镜像对称；第一超胞1包括N个横向排列的第一超胞单元(11～1N)，从对称面起各个第一超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低，第二超胞2包括N个横向排列的第二超胞单元(21～2N)，从对称面起各个第二超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低；N不小于2。
需要说明的是，本申请中的各个超胞单元都是横向排列的，从而形成声学超表面结构，其中，第一超胞1和第二超胞2可以直接相连，并且其连接面为对称面，第一超胞1中的第一超胞单元11与第二超胞2中的第二超胞单元21连接，第一超胞1中从第一超胞单元11、第一超胞单元12、第一超胞单元13…第一超胞单元1N依次横向排列开，并且从第一超胞单元11至第一超胞单元1N的折射率逐一降低，另一侧，第二超胞2中从第二超胞单元21、第二超胞单元22、第二超胞单元23…第二超胞单元2N依次横向排列开，并且从第二超胞单元21至第二超胞单元2N的折射率逐一降低，其中，N可以为10、14或其他数值，其具体数值可以根据实际情况进行确定，本申请在此不做特殊限定。
可以理解的是，本申请中的第一超胞1和第二超胞2镜像对称，也即第一超胞单元11的折射率等于第二超胞单元21的折射率，第一超胞单元12的折射率等于第二超胞单元22的折射率…第一超胞单元1N的折射率等于第二超胞单元2N的折射率。
具体的，本申请中的超胞单元是由腔体和腔体内的填充物质构成的，具体可以向腔体中填充相应折射率的气体，从而使每个超胞中的各个超胞单元的折射率不同，由于本申请中是按照折射率不同来设计声学超表面结构的，所以只需要每个超胞单元具有相应的折射率即可，对超胞单元的腔体内部结构没有限定，也即腔体可以为简单的立体空腔，结构简单易于制作，各个腔体可以通过3D打印的方式打印出，材料性能牢固，可靠性强。
可见，本申请中的第一超胞和第二超胞镜像对称，各个第一超胞单元的折射率和各个第二超胞单元的折射率均从对称面起向外依次降低，在使用过程中能够将柱面波或球面波转化为平面波，实现对声波的定向，由于各个第一超胞单元和各个第二超胞单元均是基于不同折射率进行排布的，所以本申请中的超胞单元的结构简单，整体透射率较高，转换效率高，从而能够保证声信号在传播过程中的强度。
请参照图2，在上述实施例的基础上：
该声学超表面结构还包括中心超胞单元3，第一超胞1通过中心超胞单元3与第二超胞2横向连接，第一超胞1和第二超胞2以中心超胞单元3为中心镜像对称；与中心超胞单元3直接连接的第一超胞单元11和第二超胞单元21的折射率均小于中心超胞单元3的折射率n0。
需要说明的是，为了使声学超表面结构能够更好地对柱面波或球面波实现平面波转换和定向，本申请在第一超胞1和第二超胞2之间还设有中心超胞单元3，并且第一超胞1和第二超胞2中的各个超胞单元均以中心超胞单元3为中心对称排列，从中心超胞单元3开始向外的各个超胞单元的折射率逐一降低，每个超胞单元的折射率大小也可根据预设规则进行设定。
进一步的，预设规则为第一计算关系式，第一计算关系式为:
Figure BDA0001720537520000051
其中，n0为中心超胞单元3的折射率，y0为中心超胞单元3的焦距，x为第i个超胞单元距离中心超胞单元中心点的距离，ni为第i个超胞单元的折射率，h为声学超表面结构的厚度，i∈[1,n]。
具体的，设本申请中的第一超胞单元11和第二超胞单元21的折射率为n1，第一超胞单元12和第二超胞单元22的折射率为n2，第一超胞单元13和第二超胞单元23的折射率为n3…第一超胞单元1i和第二超胞单元2i的折射率为ni…。则，ni应满足第一计算关系式，也即相互对此的每对超胞单元的折射率应以中心超胞单元3的折射率n0为基准进行设置，其中，n0的具体数值可以根据实际情况进行设定。
其中，图2中以N＝8为例进行说明，当然，N的具体数值应根据实际需要进行确定，本申请对此不做特殊限定。
另外，y0表示的是中心超胞单元3的焦距，也即本申请中的声学超表面结构在应用时中心超胞单元3与声源的距离，其具体数值可以根据实际情况进行确定。例如，y0可以设置为20cm～100cm，如40cm、60cm、80cm等。
更进一步的，本申请中的中心超胞单元3为基于空气填充而成的超胞单元。
需要说明的是，为了进一步得到透射率较高的声学超表面结构，本申请中的中心超胞单元3的腔体内可以填充相应的气体，使中心超胞单元3的折射率为17或20，具体可以填充多种气体的混合气体，具体采用哪些气体，且各中气体的比例可以根据实际情况进行确定。此时，其他的各个超胞单元中可以填充与该超胞单元折射率相对应的气体，从而使各个超胞单元的折射率满足。
更进一步的，为了进一步方便设计制作及确保声学超表面结构的转换和定向效果，本申请中的各个第一超胞单元、中心超胞单元和各个第二超胞单元的外形尺寸相同。例如，各个超胞单元均可以为大小相等的正方体，也可以为大小相等的长方体，其外形尺寸的大小可以根据实际需要进行设定，本申请在此不做限定。
另外，为了更好地实现将柱面波或球面波转换为平面波，且实现对声波的定向，本申请中的声学超表面结构的高度可以为λ/20，也即各个超胞单元的高度均为λ/20，其中，λ为入射声波的波长。当然，声学超表面结构的高度也可以为其他的具体数值，具体可以根据实际情况进行确定，本申请在此不做限定。
请参照图3-图5，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种声学天线装置，包括如上述的声学超表面结构。
可选的，声学超表面结构为多个。
可选的，各个声学超表面结构形成多面环形结构。
具体的，当需要实现对多个方向的定位时，该声学天线装置中可以设有多个声学超表面结构，每个声学超表面结构实现声波在一个方向的定位，从而实现控制声波的定向传播，有利于声信号的定向接收，例如可以实现对空间中噪声信号的方向控制，将空间噪声信号集中在特定的方向传播，以便对空间噪声进行集中降噪处理。
例如，声学天线装置可以为三面环形结构、正四面环形结构或者正六面环形结构，分别可以实现对柱面波或球面波在三个方向(如图3所示)、四个方向(如图4所示)或六个方向(如图5所示)的定向分离，当然，还可以根据实际需要设定声学天线的波束和方向。
需要说明的是，本发明实施例中的声学天线装置具有与上述声学超表面结构相同的有益效果，对于本申请中涉及到的声学超表面结构的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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)

1.一种声学超表面结构，其特征在于，包括第一超胞和与所述第一超胞横向连接的第二超胞，所述第一超胞和所述第二超胞镜像对称；所述第一超胞包括N横向排列的第一超胞单元，从对称面起各个所述第一超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低，所述第二超胞包括N个横向排列的第二超胞单元，从所述对称面起各个所述第二超胞单元的折射率按照预设规则逐个降低；所述N不小于2；
所述预设规则为第一计算关系式，所述第一计算关系式为:
ni＝n0+(y0-x2+y0 2)/h，其中，n0为中心超胞单元的折射率，y0为所述中心超胞单元的焦距，x为第i个超胞单元距离所述中心超胞单元中心点的距离，ni为第i个超胞单元的折射率，h为所述声学超表面结构的厚度，i∈[1,n]。
2.根据权利要求1所述的声学超表面结构，其特征在于，还包括中心超胞单元，所述第一超胞通过所述中心超胞单元与所述第二超胞横向连接，所述第一超胞和所述第二超胞以所述中心超胞单元为中心镜像对称；与所述中心超胞单元直接连接的第一超胞单元和第二超胞单元的折射率均小于所述中心超胞单元。
3.根据权利要求1所述的声学超表面结构，其特征在于，所述中心超胞单元的折射率为17或20。
4.根据权利要求1所述的声学超表面结构，其特征在于，所述y0为20cm～100cm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的声学超表面结构，其特征在于，各个所述第一超胞单元、所述中心超胞单元和各个所述第二超胞单元的外形尺寸相同。
6.根据权利要求5所述的声学超表面结构，其特征在于，所述声学超表面结构的高度为λ/20，λ为入射声波的波长。
7.一种声学天线装置，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的声学超表面结构。
8.根据权利要求7所述的声学天线装置，其特征在于，所述声学超表面结构为多个。
9.根据权利要求8所述的声学天线装置，其特征在于，各个所述声学超表面结构形成多面环形结构。
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