CN110400869A - 一种可控声阻抗的介质及其声阻抗调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种可控声阻抗的介质及其声阻抗调控方法，其中，该介质由离散颗粒物质堆积形成，介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，介质的声阻抗与颗粒物质的密度和声速值相关联，压力用来改变颗粒物质的密度和声速值。由于声阻抗介质由离散颗粒物质堆积形成，通过对颗粒物质施加压力，以控制声阻抗介质的力学性质，实现该介质声阻抗的连续可调，可控。

Description

一种可控声阻抗的介质及其声阻抗调控方法
技术领域
本发明涉及声阻抗调控技术领域，具体涉及一种可控声阻抗的介质及其声阻抗调控方法。
背景技术
常规固体材料具有固定的密度和模量，材料的声阻抗值是固定的，不能够通过施加外部作用并在不破坏结构的条件下使其声阻抗发生大范围改变。目前设计成为用于阻抗匹配的材料只能针对单一材料和单一频率进行匹配，不能实现声阻抗的动态可控。
发明内容
本申请提供一种可控声阻抗的介质及其声阻抗调控方法，可以解决现有声阻抗材料不能实现动态调控声阻抗的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种可控声阻抗的介质，所述介质由离散颗粒物质堆积形成，所述介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，所述介质的声阻抗与所述颗粒物质的密度和声速值相关联，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值。
一种实施例中，所述颗粒物质随机堆积或有序堆积形成所述介质。
一种实施例中，所述介质中各颗粒物质的粒径为单一粒径或多种粒径。
一种实施例中，所述颗粒物质为金属、塑料或陶瓷。
一种实施例中，所述颗粒物质为实心结构、空心结构或多层复合结构。
一种实施例中，所述颗粒物质之间添加有用于改变接触模型的液体。
一种实施例中，所述颗粒物质的直径小于声波长的1/5。
根据第二方面，一种实施例中提供一种上述介质的声阻抗调控方法，所述介质由离散颗粒物质堆积形成，所述介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，所述介质的声阻抗与所述颗粒物质的密度和声速值相关联，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值，所述介质应用于任意频率范围内，将所述介质的声阻抗调控至与任一频率匹配的调控方法包括步骤：
获取与当前频率范围相适配的压力信号；
通过所述压力信号控制外部设备向所述介质施加相应的压力，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值，以调控所述介质的声阻抗。
一种实施例中，控制外部设备向所述介质施加压力的限制条件为：施加的所述压力不能使所述颗粒物质发生塑性粘结。
一种实施例中，所述外部设备向所述介质施加的压力为机械力或电场力或磁场力。
依据上述实施例的介质，由于声阻抗介质由离散颗粒物质堆积形成，通过对颗粒物质施加压力，以控制声阻抗介质的力学性质，实现该介质声阻抗的连续可调，可控。
附图说明
图1为可控声阻抗的介质应用示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
因常规固体材料具有固定的密度和模量，材料的声阻抗值是固定的，不能够通过施加外部作用力并在不破坏结构的条件下使材料的声阻抗发生大范围改变。因此，目前设计的用于阻抗匹配的材料只能针对单一材料和单一频率进行匹配，不能实现声阻抗的动态可控。
离散颗粒物质材料是由颗粒物质紧密堆积形成，离散颗粒物质材料的阻抗与密度、声速的关系如下：
Z＝ρ·c；
其中Z为声阻抗，ρ为颗粒物质的实际密度，c为声速，ρ大约为相同材料的致密物质密度(ρ0)的61％左右，并能在压力作用下发生小幅度变化。
声速与颗粒所受外界压力呈幂指数关系，具体关系如下：
c∝pα；
其中，p为外界压力，α受压力大小，材料力学性质和颗粒排布方式等因素影响，α的具体数值在1/4-1/6之间变化。通过施加压力，改变密度和声速值，可大范围改变材料的声阻抗，及调整外界作用参数实现声阻抗可控。
基于上述原理，本例提供一种可控声阻抗的介质，该介质由离散颗粒物质堆积形成，该介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，介质的声阻抗与颗粒物质的密度和声速值相关联，压力用来改变颗粒物质的密度和声速值。
因介质是由离散颗粒物质堆积形成，不仅可以通过压力进行声阻抗调控，还可以通过调整以下外界作用参数实现声阻抗可控：
1、颗粒物质的堆积形式
本例对颗粒物质的堆积形式不作限定，如，颗粒物质可随机堆积或有序堆积形成介质。
2、颗粒物质的料径
因介质是由离散的颗粒物质组成，因此，介质中各颗粒物质的粒径可以是单一粒径(如，各个颗粒物质的粒径相同)，也可以是多种粒径(如，各个颗粒物质的粒径不同，或部分相同)。
3、颗粒物质的材质
本例中，各颗粒物质可以为金属材质，也可以是塑料材质，还可以是陶瓷材质，各种不同材质的颗粒物质具备不同的密度和力学性质，因此，根据实际应用，可选择相应材质的颗粒物质。
4、颗粒物质的结构
本例中，各颗粒物质可以是实心结构、空心结构或多层复合结构，通过不同的结构可以提供足够宽的阻抗可变范围。
5、颗粒物质间可通过添加一定量液体以改变接触模型，实现不同声阻抗性质。
进一步，因介质由多个离散的颗粒物质堆积成型，当颗粒物质的直径和声波的波长相差不多时，则该介质会改变声波的传输方向，为此，本例的颗粒物质的直径小于声波波长的1/5，也即是，颗粒物质的直径相对声波波长要足够小，这样，由颗粒物质堆积的介质能连续传输声波。
本例公开的可控声阻抗的介质与传统的声阻抗匹配材料相比具有以下优点：
1、传统的声阻抗匹配材料一般设计成具有微穿孔的蜂窝结构，这种材料真对某一特定声源设计，仅对某一频率范围具有较好的吸声效果，一旦频率超出范围，则效果明显降低，本发明的介质由离散颗粒物质堆积形成，可针对不同频率动态调节，实现最优化匹配。
2、传统的声阻抗匹配材料结构强度低，易损坏，在强冲击等恶劣条件下可靠性不高，本发明所用颗粒物质为离散型物质，颗粒间可频繁接触或脱离，在强冲击后仍能够保持其声阻抗可控性。
3、避免了固体间硬接触导致的空气间隙导致的接触状态不良问题，通过压力使颗粒与待匹配材料接触，无需耦合剂。
基于上述的介质，本例提供一种上述介质的声阻抗调控方法，该介质由离散颗粒物质堆积形成，该介质的声阻抗由向该介质施加的压力进行调控，其中，该介质的声阻抗与颗粒物质的密度和声速值相关联，压力用来改变颗粒物质的密度和声速值，该介质应用于任意频率范围内，将介质的声阻抗调控至与任一频率匹配的调控方法包括步骤：
获取与当前频率范围相适配的压力信号；
通过压力信号控制外部设备向介质施加相应的压力，压力用来改变颗粒物质的密度和声速值，以调控介质的声阻抗。
其中，控制外部设备向介质施加压力的限制条件为：施加的压力不能使所述颗粒物质发生塑性粘结。
该外部设备向介质施加的压力为机械力或电场力或磁场力，本例对此不作限定。
下面以声学传感器为例进行说明本例的介质应用及其声阻抗可控方式。
在声学传感器制作时，声波反射会造成相当大的余震，使传感器的灵敏度降低，必须增加背衬层，传统的背衬层采用的是钨粉与环氧树脂混合制成，其声阻抗必须尽量接近传感器压电晶片的声阻抗。这种方法只能针对某一特定频率，由于匹配层和晶片频散特征不同，对使用频率范围较大的器件，如声发射传感器，背衬层的对非设计频率的吸声作用下降，导致灵敏度降低。如图1所示，本发明通过将上述的介质替换为传统的背衬层，并通过外界施加压力，动态控制介质声阻抗，可针对不同频率实现阻抗匹配，使界面反射降低，并通过颗粒物质结构的介质实现吸声。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种可控声阻抗的介质，其特征在于，所述介质由离散颗粒物质堆积形成，所述介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，所述介质的声阻抗与所述颗粒物质的密度和声速值相关联，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值。
2.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述颗粒物质随机堆积或有序堆积形成所述介质。
3.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述介质中各颗粒物质的粒径为单一粒径或多种粒径。
4.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述颗粒物质为金属、塑料或陶瓷。
5.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述颗粒物质为实心结构、空心结构或多层复合结构。
6.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述颗粒物质之间添加有用于改变接触模型的液体。
7.如权利要求1所述的介质，其特征在于，所述颗粒物质的直径小于声波长的1/5。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的介质的声阻抗调控方法，其特征在于，所述介质由离散颗粒物质堆积形成，所述介质的声阻抗由向所述介质施加的压力进行调控，其中，所述介质的声阻抗与所述颗粒物质的密度和声速值相关联，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值，所述介质应用于任意频率范围内，将所述介质的声阻抗调控至与任一频率匹配的调控方法包括步骤：
获取与当前频率范围相适配的压力信号；
通过所述压力信号控制外部设备向所述介质施加相应的压力，所述压力用来改变所述颗粒物质的密度和声速值，以调控所述介质的声阻抗。
9.如权利要求8所述的声阻抗调控方法，其特征在于，控制外部设备向所述介质施加压力的限制条件为：施加的所述压力不能使所述颗粒物质发生塑性粘结。
10.如权利要求8所述的声阻抗调控方法，其特征在于，所述外部设备向所述介质施加的压力为机械力或电场力或磁场力。
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