CN109088601B - 基于超材料的单向声学混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声学隐身和声学通信技术领域，具体为基于超材料的单向声学混频器。本发明由两个背靠背的亥姆霍兹共振腔组成，两个背靠背的亥姆霍兹共振腔以一个压电陶瓷薄膜作为公共面；该压电陶瓷薄膜上有三个电极：地电极、主电极和测量电极；两个亥姆霍兹共振腔具有相似的结构，为具有一个开口的圆柱形腔体，除开口的直径不同之外，其他结构参数都是相同。本发明通过压电陶瓷薄膜、ADC和FPGA将控制算法和相关设备整合在一起。单向声学倍频器和半频器实际测试结果表明，本发明能成功将1.35kHz和2.7kHz的声波相互转换，同时保持较高的单向抑制比(>20dB)，各项性能满足要求。
Description
技术领域
本发明属于声学隐身和声学通信技术领域，具体涉及一种单向声学混频器
背景技术
相应的电学等效的研究表明，具有特殊结构的声学超材料在行为上可以理解为一种声学滤波器。通过引入压电材料和对电学量的合理控制可以获得希望的声学参数。如果更进一步，通过压电材料所接的电路直接实现所需的滤波功能，便可以极大地扩展声学超材料可实现功能的范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超材料的单向声学混频器。
为了更好地控制声波能量在材料中的流动，各种各样的声学超材料被设计了出来。但它们通常只是基于初始结构的被动式的材料，也就是说它们只能依赖于其被制备时的结构特征来被动地对入射的声波做出相应的响应。使用主动元件构建的主动声学超材料可以在一定程度上规避这一弊端，为材料提供在不改变自身基本结构的情况下适应不同环境的能力。主动元件的加入还能够允许材料做出一般理论框架下难以达成的行为，例如，通过电路控制的压电驱动器改变声波的频率可以使得材料具有非线性的响应曲线而产生与输入声波频率不同的声波。
1.电声桥梁——压电效应
主动元件一般通过设计好的电路来控制，这就需要一个同时具有声学(机械振动)和电学效应的桥梁将两者联系在一起，即它必须能够实现电压和声压之间的相互转化。压电效应与压电材料能够很好地满足这个要求。
压电材料的极化和应变是联系在一起的：当压电材料受到应力的作用而发生应变时，其内部会在某些方向上产生极化，结果是在材料的两端出现固定的正负不同的电荷，从而产生可探测的电场和电压，该电场在应力撤销后便恢复原状，这种现象称为正压电效应；相反的，如果在压电材料的极化方向上施加电压，那么压电材料也会产生相应的应变，并且电压撤去后应变也随之消失，这种现象就称为逆压电效应。
压电效应是应力、应变、电场和电位移(对应于极化)之间相互耦合的现象，其简化标量模型可以表述为下面的关系式
其中，S是应变，D是电位移，T是应力，E是电场强度。相应的系数的含义是：d为压电应变常数，表示在电场强度不变时单位应力变化引起电位移变化，或者是在应力不变时单位电场强度变化引起的应变；ε是介电常数；sE是短路弹性柔度系数。
2.声波传输的主动控制
通过压电材料将声压的变化和电学量的变化联系在一起，材料对声波的响应函数的一部分就会由电路的响应函数来替代。声学超材料对声波的响应决定它的等效声学参数，所以主动声学超材料的等效声学参数是一个电路控制的量。于是控制电路的设计就成为了主动声学超材料设计中的关键一环了。考虑一个一端附有压电陶瓷薄膜的腔体(如图1所示)，此时，式(1)可以在拉普拉斯变换域重新写成：
其中，ΔVolP是压电陶瓷薄膜的体积变化，q是表面的累积的电荷，ΔpP是压电陶瓷薄膜两侧的气压差，VP是压电陶瓷上的电压，Cd是薄膜的柔度系数，dA是有效压电系数，Zp是压电陶瓷及其附属电路的阻抗。图1中，V表示腔体体积，S表示腔体横截面积，Δp表示声压差，ρ0表示密度，l表示长度。
对于机械振动来说，也有和电路元件的一种相似性，例如，材料的柔度系数的行为和电容相似，材料的质量的作用有和电感相似的效果。这样，可以将图1所示的系统完全表示成一种电路形式。如图2所示，最终的电路形式是声学域、机械振动域和电学域共同组成结构，其中，Ca为声容，La为声感。通过这个等效电路，我们可以直接通过求解它的传输函数来调控压电陶瓷(主要是它的电压)的行为，并进而控制声压变化来获得需要的声学参数。
本发明提供的基于超材料的单向声学混频器，其结构是由两个背靠背的亥姆霍兹共振腔组成，它们以一个压电陶瓷薄膜作为公共面；该压电陶瓷薄膜上一共有三个电极，分别是地、主电极(用于驱动的电极)和传感电极(是用来测量声压的电极)，如图3所示，所述的两个亥姆霍兹共振腔具有相似的结构，它们都是仅有一个开口的圆柱形腔体，并且除了开口的直径不同之外，其他结构参数都是相同的，如图4所示。
在设计两个亥姆霍兹共振腔的开口直径时，具体的目标是将测量电极所在腔体的共振频率f1设计成另一个腔体共振频率f2的一半。这样的两个腔体的作用是：对于其共振频率附近的声波来说，它起到阻抗匹配的作用，能够增强对相应频率声波的吸收效果；对于其他频率上的声波来说其行为类似于一个硬板。即，通过改变两个亥姆霍兹共振腔的开口直径d1和d2的值，使得相应亥姆霍兹共振腔的共振频率f1和f2满足2f1≈f2。
要使得该材料具有对于某种频率声波的单向通过性，仅仅通过上述的结构设计还不够(因为理论上没有声波可以能通过)，两个具有不同共振频率的亥姆霍兹共振腔还要通过非线性的控制电路耦合在一起。具体是通过一个二阶谐波产生电路将传感电极(接收电极)上的声压通过电路变换到它的二倍频处，再通过主电极将二倍频的声波输出到空气中。这样这个材料就具备了预期的单向非线性的功能特点。类似地，通过二级谐波产生电路将传感电极上的声压通过电路变换到它的半频处，再通过主电极将半频的声波输出到空气中。
所述的二阶谐波产生电路如图5所示。电路由放大器，全波整流器和两个带通滤波器组成，声波被传感端接收，然后依次通过放大器，带通滤波器，全波整流器，带通滤波器到达主电极端。
与将声学相应的部分过程用模拟电路的运作过程加以替代的思路类似，本发明可以在数字域上实现相应的功能，并通过模数/数模转换器(AD/DA)在模拟信号和数字信号之间实现相互转化，即将图6(a)所示的模拟信号处理过程替换成图6(b)所示的数字信号处理过程。在图6(a)所示的模拟信号处理过程设备是由两个模拟带通滤波器和频率变换结构(二阶谐波产生电路)组成，信号先通过模拟带通滤波器进行滤波，然后经过频率变换，再经过模拟带通滤波器，最后输出。在图6(b)中信号经过ADC，将模拟信号转换成数字信号，然后经过数字带通滤波器进行滤波，再进行频率变换，再经过数字带通滤波器，最后经过DAC转换成模拟信号后输出。
对于倍频功能情形，可以与图5实现方法一样，将频率变化模块设计为一个全波整流器。全波整流对于数字信号处理来说，可以通过取信号值的绝对值来实现。对于二进制补码表示的有符号数取绝对值，可以根据其符号位的不同进行不同的处理，对符号位为1的取补码，对符号位为0的保持不变。本发明采用一种统一的处理方法，即：利用任何一位二进制数与“1”异或即为取反，与“0”抑或保持不变的特性，先将该补码表示的二进制数的各个比特位与它的符号位相异或，而后将异或得到的结果再加上该符号位，从而得到最终结果。相应电路示意图如图7所示。图8中展示了对此过程的仿真结果。左边是不同阶段的信号的时域波形，右边是对应的信号在0～5kHz范围内的频谱。整流后信号是输入信号经过带通滤波器和全波整流模块之后得到的结果。仿真结果表明该方法符合预期，效果良好。
对于半频功能情形，半频的实现需要较为复杂的过程，首先是通过寻找输入信号的极大值确定其峰值的位置，这等于在一定意义上确定输入信号的周期；接着，为了简化混频信号的生成，使用方波代替正弦波与信号相乘，该方波信号的范围是-1到+1，跳变边缘的位置就是输入信号峰值出现的位置。在半频转换时，频率转换模块包括一个峰值位置控制的方波产生器和一个乘法器。峰值位置是通过判断当前信号是否同时大于它前面的信号和后面的信号，如果检测确定是一个峰值位置，那么就会翻转一个标志位flag。这样flag信号就是一个伪方波信号了。因为和方波相乘实际上就是和±1相乘，所以实际执行这项操作的时候采用和取绝对值类似的方法：将取绝对值操作中的符号位替换成flag标志位便可以实现所需效果，也就是将数据的每一位和flag异或，然后再加上flag便会得到最后结果。因此，这里所说的方波产生器和乘法器都是对应于它们的实际效果而言的，实际电路中并不会真的实现一个方波产生器和乘法器。相应的电路如图9所示。图10展示半频过程的仿真结果。乘以方波后的信号是输入信号经过带通滤波器后再与生成的方波相乘后得到的结果。仿真结果表明该方法符合预期，效果良好。
附图说明
图1为可通过压电陶瓷薄膜控制声学属性的腔体。
图2为压电陶瓷薄膜腔体等效电路。
图3为压电陶瓷薄膜示意图。
图4为单向声学倍频材料的功能示意图。
图5为二阶谐波产生电路。
图6为主动声学超材料控制电路的模拟和数字实现。其中，(a)为模拟信号处理过程，(b)为数字信号处理过程。
图7为倍频电路示意图。
图8为倍频过程的仿真结果。
图9为半频电路示意图。
图10为半频过程的仿真结果。
图11为测量和控制系统的FPGA实现框图。
图12为系统运行流程图。
图13为正方向时倍频材料的透射信号的时域波形和频谱。
图14为反方向时倍频材料的透射信号的时域波形和频谱。
图15为正方向时半频材料的透射信号的时域波形和频谱。
图16为反方向时半频材料的透射信号的时域波形和频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种在声波传输过程中进行声学上的混频并仅允许声波单向透过的器件：
步骤1，材料制备
使用由Murata公司生产制造的压电陶瓷薄膜，其对应的型号为7BB-35-3CL0。
两个背靠背的圆柱形亥姆霍兹共振腔尺寸是：腔体直径为33mm，高度为1.5mm，开口深度为1.5mm，开口直径分别为3mm和9mm。制备时所用的物质是亚克力。具体的制造方法是在厚度为1.5mm的亚克力板上刻出所需的腔体或孔洞，然后将这些亚克力板和压电陶瓷薄膜粘合在一起。为了调控压电陶瓷薄膜时的简便，这里同时使用了两个压电陶瓷薄膜，一个专门用于测量入射的声波信号，一个专门产生输出的声波信号。
步骤2，系统框图及模块实现
图11是测试系统和控制电路的FPGA实现框图。测试和超材料的控制电路都在该FPGA上，其按功能大致可分为三个模块。左侧虚线框中的是测试信号产生电路，DAC将信号转换成模拟信号输出到喇叭上。右侧虚线框中是以基于I2S总线的数字麦克风为基础的信号测量模块，它测量从材料透射的声波情况。中间虚线框中是声学超材料的控制电路，它通过ADC获得相应输入声波的信号，处理后通过DAC再将输出声波信号传输到压电陶瓷薄膜上。
整个系统运行的流程示意图如图12所示。因为包括测试信号生成、结果测量以及超材料的主动控制都是在FPGA上完成的，所以在FPGA启动并对ADC/DAC模块、数据传输模块和若干移位寄存器进行初始化之后，其上共有三条相互独立的流程要执行：
其一，源信号产生模块和dac_i2c模块配合，不断地将源信号经DAC转换后驱动喇叭产生测试所需的初始声波；其二，i2s_rx模块和ft2232hl模块配合，不断地从数字麦克风读取最终结果，并通过USB芯片发送到上位机；其三，adc_i2c模块不断地读取压电陶瓷薄膜在声波作用下的响应，然后经过带通滤波器-频率转换-带通滤波器处理后再驱动压电陶瓷薄膜产生相应的目标声波。
测试结果
1.单向声学倍频器
对倍频功能进行测试，输出到喇叭的信号是中心频率为1350Hz的如图8的输入信号所示的声波。该声波信号正向通过材料后，在数字麦克风处测得的信号的时域波形和频谱如图13所示。当声波从反方向入射到材料后，在数字麦克风处测得的信号的时域波形和频谱如图14所示。从图13和图14中可以看出，该单向倍频材料的频率转换效果良好，并且达到了22.3dB的单向抑制率(正方向与反方向时透射声波能量的比值)。
2.单向声学半频
对半频功能进行测试，输出到喇叭的信号是中心频率为2700Hz的如图10的输入信号所示的声波。该声波信号正向通过材料后，在数字麦克风处测得的信号的时域波形和频谱如图15所示。当声波从反方向入射到材料后，在数字麦克风处测得的信号的时域波形和频谱如图16所示。从图14和图15中可以看出，该单向半频材料的频率转换效果良好，并且达到了44.8dB的单向抑制率。
Claims (5)
1.一种基于超材料的单向声学混频器，其特征在于，由两个背靠背的亥姆霍兹共振腔组成，两个背靠背的亥姆霍兹共振腔以一个压电陶瓷薄膜作为公共面；该压电陶瓷薄膜上一共有三个电极，分别是地电极、用于驱动的主电极和用于测量声压的传感电极；所述的两个亥姆霍兹共振腔具有相似的结构，它们都是仅有一个开口的圆柱形腔体，并且除了开口的直径不同之外，其他结构参数都是相同；
通过二阶谐波产生电路将传感电极上的声压变换到它的二倍频或半频处，再通过主电极将二倍频或半频的声波输出到空气中。
2. 根据权利要求1所述的基于超材料的单向声学混频器，其特征在于，记
和
为测量电极所在亥姆霍兹共振腔体的开口直径和共振频率，
和
为另一个亥姆霍兹共振腔体的开口直径和共振频率；通过调整
和
的值，
和
满足 
。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的单向声学混频器，其特征在于，能在数字域上实现相应的功能，并通过模数/数模转换器在模拟信号和数字信号之间实现相互转化，即将模拟信号处理过程替换成数字信号处理过程；其中，模拟信号处理过程所用设备是由两个模拟带通滤波器和频率变换结构即二阶谐波产生电路组成，信号先通过模拟带通滤波器进行滤波，然后经过频率变换，再经过模拟带通滤波器，最后输出；数字信号处理过程是将信号经过ADC，将模拟信号转换成数字信号，然后经过数字带通滤波器进行滤波，再进行频率变换，再经过数字带通滤波器，最后经过DAC转换成模拟信号后输出。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的单向声学混频器，其特征在于，对于倍频功能情形，将频率变化模块设计为一个全波整流器，对于数字信号处理来说，通过取信号值的绝对值来实现：对于二进制补码表示的有符号数取绝对值，可以根据其符号位的不同进行不同的处理，对符号位为1的取补码，对符号位为0的保持不变。
5.根据权利要求3所述的基于超材料的单向声学混频器，其特征在于，对于半频功能情形，首先是通过寻找输入信号的极大值确定其峰值的位置；接着，使用方波代替正弦波与输入信号相乘，该方波信号的范围是－1到＋1，跳变边缘的位置就是输入信号峰值出现的位置；在半频转换时，频率转换模块包括一个峰值位置控制的方波产生器和一个乘法器；峰值位置是通过判断当前输入信号是否同时大于它前面的输入信号和后面的输入信号，如果检测确定是一个峰值位置，那么就翻转一个标志位flag；这样标志位flag信号就是一个伪方波信号了；由于和方波相乘实际上就是和±1相乘，所以实际执行这项操作的时候采用取绝对值的方法：将取绝对值操作中的符号位替换成标志位flag，也就是将数据的每一位和标志位flag异或，然后再加上标志位flag，得到最后结果。
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