CN110299129B

CN110299129B - 一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门

Info

Publication number: CN110299129B
Application number: CN201910446273.1A
Authority: CN
Inventors: 王垠; 钱姣; 孙宏祥
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: CN110299129A

Abstract

本发明提供了一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门，包括两个相控单元，即第一相控单元、第二相控单元，每一个相控单元均为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔，每一排亥姆霍兹谐振腔的数量均大于等于两个；两个相控单元并排设置、且中间间隔隔层；每两个相控单元出口与所述声逻辑门的出口相连通、且在连接处形成谐振区域；所述声逻辑门的出口与所述隔层相对设置、且宽度d与隔层的宽度相同。本发明所述的声逻辑门的逻辑功能丰富，具有统一阈值和宽频带特性，结构简单，尺寸小。与主动调控入射声源信号不同，利用两种相控单元被动调控出射声波的相位来实现逻辑功能，操纵简单，有利于程序控制。

Description

一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门。

背景技术

声波是现实生活中常见的能量和信息载体，由于声波不受电磁场干扰，与光波、电磁波相比，具有更好的稳定性和安全性。如果能利用声波进行信息处理和逻辑计算，可应用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，如声学计算、声学加密、声学识别等，而这些应用都以声逻辑门为基础单元。此外，声逻辑门的最终发展趋势是设计集成声路，为未来实现抗电磁干扰、安全性高的声学计算机提供基础元器件。因此，宽频带亚波长声逻辑门的研制具有十分重要的学术价值及应用前景。

目前，国内外研究人员主要基于非线性和线性相干两种机制来实现声逻辑功能。

(1)在非线性机制方面，利用具有非线性接触力的球形粒子驱动链，同时结合声波频率带隙的选择机制，可以实现声开关、与门及或门等声逻辑功能。当特定频率的声波入射到连续驱动的球形链时，入射声波与驱动球形链产生的非线性声波会发生相互作用，从而改变声波频率。通过调控非线性声波的频率，原本处于球形链禁带中的入射倏逝波可以转化为传播波，通过球形链，从而设计实现声开关。在此基础上，利用两个频率的入射信号还能实现声逻辑与门和或门。

(2)在线性相干机制方面，基于二维声子晶体中自准直声束，利用两个输入信号之间的线性干涉，提出了一种具有基本功能的逻辑门器件。当只有一束声波入射到声子晶体时，一半的能量被反射，另一半的能量依然沿原方向出射。当两束声波同时入射且入射相位差相差π/2时，反射波与折射波发生相干增强和相干相消，从而实现声逻辑功能。此外，基于近零折射率声超构材料特性，研究人员通过设计蜷曲空间结构实现了声逻辑与门，或门，非门以及复杂逻辑功能。

(3)利用多端口圆形波导结构同样可以实现声逻辑功能。基于线性声相干机制，主动调控两输入信号的声压幅值和相位差，实现了与门、或门、非门等基本声逻辑功能。

传统技术的缺点是：

(1)基于非线性机制设计的声逻辑门，声波工作频率会发生变化，且实现的声逻辑功能单一；

(2)基于声子晶体设计的逻辑门的尺寸较大，且阈值不统一；

(3)基于近零折射率声超构材料的逻辑门，结构复杂，且工作频带较窄，甚至为单一频率；

(4)在现有的声逻辑门器件中，都是通过主动调控入射声波的振幅和相位来实现各种逻辑功能，操控复杂，不利于程序控制。

导致传统技术缺陷的原因有：

(1)声波通过球形粒子驱动链，基于非线性机制与带隙选择机制，入射声波会与非线性声波相互作用，使得声波频率发生改变，且声波只有通与不通两种状态，从而实现的声逻辑功能单一；

(2)基于二维声子晶体中自准直光束的线性干涉可以实现简单声逻辑功能，然而，声子晶体需要一定的周期才会产生方向带隙特性，所以不可避免地导致线性系统的尺寸较大。此外，各种声逻辑功能的实现需要设定不同的阈值；

(3)近零折射率声超构材料主要由复杂的卷曲空间结构组成，且近零折射率特性源于单元的F-P共振，从而导致设计的逻辑门结构复杂、工作频带较窄；

(4)声逻辑门的实现主要基于声波的相干机制，因此，主动改变入射声波的相位和振幅可以实现透射波的干涉增强与干涉相消效应。

发明内容

针对传统声逻辑门的逻辑功能单一；阈值不统一，工作频带窄；器件尺寸大、结构复杂、不易集成等技术难题，本发明提出一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门，逻辑功能丰富；阈值统一，工作频带宽；亚波长易集成的声逻辑门。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门，其特征在于，包括两个相控单元，即第一相控单元、第二相控单元，每一个相控单元均为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔，每一排亥姆霍兹谐振腔的数量均大于等于两个；两个相控单元并排设置、且中间间隔隔层；每两个相控单元出口与所述声逻辑门的出口相连通、且在连接处形成谐振区域；所述声逻辑门的出口与所述隔层相对设置、且宽度d与隔层的宽度相同。

进一步地，所述第一相控单元中每一个亥姆霍兹谐振腔的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.027λ≤w₂≤0.032λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔之间的间距w₁＝0.022λ；第二相控单元中每一个亥姆霍兹谐振腔的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.004λ≤w₂≤0.01λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔之间的间距w₁＝0.069λ；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ；其中λ为入射声波的波长。

进一步地，所述第一相控单元与第二相控单元中的结构参数均相同，每一个亥姆霍兹谐振腔的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔的长为0.075λ≤l≤0.125λ，宽为0.005λ≤w₂≤0.035λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.05λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔之间的间距w₁受参数w₂调控；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ。

一种由上述的两种逻辑门复合而成的复合逻辑门。

进一步地，所述隔层替换为第三相控单元，所述第三相控单元为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔，每一排亥姆霍兹谐振腔的数量均大于等于两个，第三相控单元的出口与谐振区域相通。

进一步地，所述第三相控单元中亥姆霍兹谐振腔长和宽分别为0.115λ≤l≤0.125λ，w₂＝0.034λ，内腔长度l₂为0.065λ，间距w₁取为0.012λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ；第一所述第一相控单元与第二相控单元2中的结构参数均相同，每一个亥姆霍兹谐振腔的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.005λ≤w₂≤0.02λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.05λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，第三相控单元的宽度w＝d；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ。

进一步地，所述声逻辑门是通过3D打印技术制备而成。

进一步地，所述声逻辑门的材质为机玻璃、塑料、金属材料中的一种。

进一步地，每一个相控单元中所述两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔，每一排亥姆霍兹谐振腔的个数为2或3或4个。

本发明的有益效果是：

(1)声逻辑门实现的逻辑功能丰富

本发明所提出的声逻辑门能够实现基础声逻辑功能：“与”逻辑门，“或”逻辑门和“非”逻辑门；此外，还能够实现了“异或”逻辑门，“与非”逻辑门，“或非”逻辑门共6个常用声逻辑功能。

(2)声逻辑门具有统一阈值和宽频带特性

本发明所提出的声逻辑门均在阈值为0.4Pa下实现多种声逻辑功能。此外，该逻辑门工作频带较宽，或门、异或门和非门的工作带宽为700Hz，带宽比可达0.2左右；与门的带宽为610Hz，带宽比可达0.18左右。

(3)声逻辑门结构简单，尺寸小

传统声逻辑门器件的尺寸较大，结构复杂，不易加工实现。本发明所提出的声逻辑门，尺寸为亚波长，长为0.6λ，宽为0.3λ，结构简单易加工制备，易集成，有利于推广应用。

(4)声逻辑门结构被动式调控声学信号。

本发明技术所提出的声逻辑门，与主动调控入射声源信号不同，利用两种相控单元被动调控出射声波的相位来实现逻辑功能，操纵简单，有利于程序控制。

附图说明

图1为本发明所述的声逻辑门第一实施例“异或门、非门”的结构示意图。

图2为本发明所述的声逻辑门第二实施例“或门”的结构示意图。

图3为本发明所述的声逻辑门第三实施例“与门”的结构示意图。

图4为不同输入状态下，声波通过(a)异或门和(b)非门对应的声压幅值空间分布及(c)O端的输出声压振幅。

图5为不同输入状态下，声波通过或门对应的声压幅值空间分布及O端的输出声压振幅。

图6为不同输入状态下，声波通过(a)与逻辑门产生的声压空间分布及(b)O端的输出声压振幅；

图7逻辑门工作频带：(a)或逻辑门,(b)异或逻辑门,(c)非逻辑门,(d)与逻辑门。

图8为不同输入状态下，声波通过(a)或非门对应的声压幅值空间分布及(b)O端的输出声压振幅。

图9为不同输入状态下，声波通过(a)与非门对应的声压幅值空间分布及(b)O端的输出声压振幅。

图中：

1-第一相控单元，2-第二相控单元，3-隔层，4-亥姆霍兹谐振腔，5-第三相控单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的声逻辑门是由矩形刚性固体与两个相控单元组成的三端口波导结构。包括两个相控单元，即第一相控单元1、第二相控单元2，每一个相控单元均为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4，每一排亥姆霍兹谐振腔4的数量均大于等于两个；两个相控单元并排设置、且中间间隔隔层3；每两个相控单元出口与所述声逻辑门的出口相连通、且在连接处形成谐振区域；所述声逻辑门的出口与所述隔层3相对设置、且宽度d与隔层3的宽度相同，d取声波波长的十分之一。声逻辑门的材质为机玻璃、塑料、金属材料中的一种，例如环氧树脂、铁、铝、铜等。

实施例1：

如图1所示的实施例，所述声逻辑门中，两个相控单元的结构参数不同，能够实现“异或”和“非”的逻辑控制。具体的，所述第一相控单元1中每一个亥姆霍兹谐振腔4的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔4的长为l＝0.125λ，宽为w₂＝0.029λ，开口长度为l₁＝0.015λ，壁厚为w₃＝0.005λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4之间的间距w₁＝0.022λ；第二相控单元2中每一个亥姆霍兹谐振腔4的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔4的长为l＝0.125λ，宽为w₂＝0.0055λ，开口长度为l₁＝0.015λ，壁厚为w₃＝0.005λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4之间的间距w₁＝0.069λ；谐振区域的长度为d₁＝0.055λ；其中λ为入射声波的波长。

第一相控单元1与第二相控单元2中输出的声波的相位差为π；图4为不同输入状态下，声波通过本实施例的所述声逻辑门产生的声压幅值空间分布以及输出O端的声压振幅，所实现的“异或”和“非”逻辑控制。如图4(a)所示，当两束声波同时入射到端口A和B，即输入逻辑值为{1,1}，基于相位干涉相消机制，输出的声压幅值低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；当只有一束声波入射到端口A或B，即输入逻辑值为{1,0}或{0,1}，输出的声压幅值高于阈值，对应输出逻辑值为{1}；当没有声波入射到端口A和B，即输入逻辑值为{0,0}，输出的声压幅值低于阈值，对应输出逻辑值为{0}。因此输入信号与输出信号之前的对应关系构成如表格所示的“异或”逻辑真值表。从而实现了“异或”逻辑功能。在此基础上，将入射端口B设置为有声波入射的恒定控制端口。如图4(b)所示，当有声波入射到端口A，即输入逻辑值为{1}，输出的声压幅值低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；当没有声波入射到端口A，即输入逻辑值为{0}，输出的声压幅值高与阈值，对应输出逻辑值为{1}，从而实现了“非”逻辑功能。

实施例2：

如图2所示，所述声逻辑门中两个相控单元的的结构参数相同，能够实现“或”的逻辑控制。所述第一相控单元1与第二相控单元2中每一个亥姆霍兹谐振腔4的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔4的长为l＝0.125λ，宽为w₂＝0.0055λ，开口长度为l₁＝0.015λ，壁厚为壁厚为w₃＝0.005λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4之间的间距w₁＝0.069λ；谐振区域的长度为d₁＝0.055λ。

在第一相控单元1与第二相控单元2中输出的声波的相位差为0；图5为不同输入状态下，声波通过“或”声逻辑门产生的声压幅值空间分布以及输出O端的声压振幅。从图5中可以看出，当两束声波同时入射到端口A和B，即输入逻辑值为{1,1}，基于相位干涉增强机制，输出O端的声压幅值高于阈值，对应输出逻辑值为{1}；当只有一束声波入射到端口A或B，即输入逻辑值为{1,0}或{0,1}，对应输出逻辑值也为{1}；当没有声波入射到端口A和B，即输入逻辑值为{0,0}，输出的声压幅值低于阈值，对应输出逻辑值为{0}。因此输入信号与输出信号间的对应关系构成如表格所示的“或”逻辑真值表，从而实现了或逻辑功能。

实施例3：

如图3所示，本实施例中的声逻辑门是在实施例2中的“或”逻辑门的基础上改进而来，将实施例2中声逻辑门中的隔层3替换为第三相控单元5，能够实现“与”的逻辑控制。所述第三相控单元5为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4，每一排亥姆霍兹谐振腔4的数量均大于等于两个，第三相控单元5的出口与谐振区域相通。

所述第三相控单元5中亥姆霍兹谐振腔4长和宽分别为l＝0.125λ，w₂＝0.034λ，内腔长度l₂为0.065λ，间距w₁均取为0.012λ，开口长度为l₁＝0.015λ，壁厚为w₃＝0.005λ；所述第一相控单元1与第二相控单元2中的结构参数均相同，每一个亥姆霍兹谐振腔4的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔4的长为l＝0.125λ，宽为w₂＝0.0055λ，开口长度为l₁＝0.015λ，壁厚为w₃＝0.005λ，第三相控单元5的宽度w＝d，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔4之间的间距w₁＝0.069λ；谐振区域的长度为d₁＝0.0055λ。

在第三相控单元5与第一相控单元1、第二相控单元2中输出的声波的相位差均为π；图6为不同输入状态下，声波通过逻辑“与”门产生的声压空间分布及O端的输出声压振幅，其中C端口设置为有声波入射的恒定声信号控制端口。从图6的结果可以看出，当有两束声波同时入射到端口A和B，即输入逻辑值为{1,1}，输出的声压高于阈值，对应输出逻辑值为{1}；当只有一束声波入射到端口A或B，即输入逻辑值为{1,0}或{0,1}，输出的声压低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；当没有声波入射到端口A和B，即输入逻辑值为{0,0}，对应输出逻辑值也为{0}。因此输入信号与输出信号之前的对应关系构成如表格所示的“与”逻辑真值表，从而实现了“与”逻辑功能。

图7(a)-(d)分别显示逻辑或门、异或门、非门和与门在不同输入状态对应的输出端声压幅值。从图7(a)-(c)可以看出，在频率范围3140Hz-3840Hz，声逻辑门均能实现“或”、“异或”及“非”逻辑功能，其工作带宽可达700Hz，带宽比约为0.2。此外，如图7(d)，在频率范围3270-3880Hz内，输入逻辑值为{1,1}对应的输出声压幅值高与阈值，而其它输入态对应的输出声压幅值低于阈值，从而实现了“与”逻辑功能，其工作带宽可达610Hz，带宽比约为0.18。

实施例4

所述实施例2所述的“或”声逻辑门的出口与实施例1所述的“非”声逻辑门的第二相控单元2的入口相连通，实施例1所述的“非”声逻辑门的第一相控单元1中的入口段有与实施例2所述的“或”声逻辑门长度相等的声道。图8为不同输入状态下，声波通过逻辑“或非”门产生的声压空间分布及O端的输出声压振幅，其中C端口设置为有声波入射的恒定声信号控制端口。从图8的结果可以看出，当有两束声波同时入射到端口A和B，即输入逻辑值为{1,1}，输出的声压低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；当只有一束声波入射到端口A或B，即输入逻辑值为{1,0}或{0,1}，输出的声压也低于阈值，对应输出逻辑值也为{0}；当没有声波入射到端口A和B，即输入逻辑值为{0,0}，对应输出逻辑值为{1}。因此输入信号与输出信号之前的对应关系构成如表格所示的“或非”逻辑真值表，从而实现了“或非”逻辑功能。

实施例5

所述实施例3所述的“与”声逻辑门的出口与实施例1所述的“非”声逻辑门的第二相控单元2的入口相连通，实施例1所述的“非”声逻辑门的第一相控单元1中的入口段有与实施例2所述的“与”声逻辑门长度相等的声道。图9为不同输入状态下，声波通过逻辑“与非”门产生的声压空间分布及O端的输出声压振幅，其中C和D端口设置为有声波入射的恒定声信号控制端口。从图9的结果可以看出，当有两束声波同时入射到端口A和B，即输入逻辑值为{1,1}，输出的声压低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；当只有一束声波入射到端口A或B，即输入逻辑值为{1,0}或{0,1}，输出的声压高于阈值，对应输出逻辑值为{1}；当没有声波入射到端口A和B，即输入逻辑值为{0,0}，对应输出逻辑值也为{1}。因此输入信号与输出信号之前的对应关系构成如表格所示的“与非”逻辑真值表，从而实现了“与非”逻辑功能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门，其特征在于，包括两个相控单元，即第一相控单元(1)、第二相控单元(2)，每一个相控单元均为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)，每一排亥姆霍兹谐振腔(4)的数量均大于等于两个；两个相控单元并排设置、且中间间隔隔层(3)；每两个相控单元出口与所述声逻辑门的出口相连通、且在连接处形成谐振区域；所述声逻辑门的出口与所述隔层(3)相对设置、且宽度d与隔层(3)的宽度相同。

2.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述第一相控单元(1)中每一个亥姆霍兹谐振腔(4)的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔(4)的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.027λ≤w₂≤0.032λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)之间的间距w₁＝0.022λ；第二相控单元(2)中每一个亥姆霍兹谐振腔(4)的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔(4)的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.004λ≤w₂≤0.01λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)之间的间距w₁＝0.069λ；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ；其中λ为入射声波的波长。

3.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述第一相控单元(1)与第二相控单元(2)中的结构参数均相同，每一个亥姆霍兹谐振腔(4)的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔(4)的长为0.075λ≤l≤0.125λ，宽为0.005λ≤w₂≤0.035λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.05λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)之间的间距w₁受参数w₂调控；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ。

4.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述隔层(3)替换为第三相控单元(5)，所述第三相控单元(5)为一个具有独立入口的空腔，内部均有两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)，每一排亥姆霍兹谐振腔(4)的数量均大于等于两个，第三相控单元(5)的出口与谐振区域相通。

5.根据权利要求4所述的声逻辑门，其特征在于，所述第三相控单元(5)中亥姆霍兹谐振腔(4)长和宽分别为0.115λ≤l≤0.125λ，w₂＝0.034λ，内腔长度l₂为0.065λ，间距w₁取为0.012λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.03λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ；所述第一相控单元(1)与第二相控单元(2)中的结构参数均相同，每一个亥姆霍兹谐振腔(4)的结构参数为：亥姆霍兹谐振腔(4)的长为0.115λ≤l≤0.125λ，宽为0.005λ≤w₂≤0.02λ，开口长度为0.01λ≤l₁≤0.05λ，壁厚为0.003λ≤w₃≤0.006λ，第三相控单元(5)的宽度w＝d；谐振区域的长度为0.03λ≤d₁≤0.09λ。

6.一种复合逻辑门，其特征在于，由权利要求2所述声逻辑门、权利要求3声逻辑门组合而成，所述权利要求2所述声逻辑门的第二相控单元(2)的入口与权利要求3所述声逻辑门的出口相连通，权利要求2所述声逻辑门的第一相控单元(1)中的入口段有与所述权利要求3所述声逻辑门长度相等的声道。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的声逻辑门，或权利要求6所述的复合逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门是通过3D打印技术制备而成。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的声逻辑门，或权利要求6所述的复合逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门的材质为机玻璃、塑料、金属材料中的一种。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的声逻辑门，或权利要求6所述的复合逻辑门，其特征在于，每一个相控单元中所述两排相对设置的亥姆霍兹谐振腔(4)中，每一排亥姆霍兹谐振腔(4)的个数为2或3或4个。