CN110492878A - 一种小型水下亚波长声学开关装置 - Google Patents

Abstract

一种小型水下亚波长声学开关装置，属于水声探测和水声通讯技术领域。设有两部分声人工结构、声栅固定板、声栅支撑板、吊装环、稳定块、底座、竖直固定板和声栅转动圆；第一部分声人工结构为一维流固超晶格，第二部分声人工结构由沿水平方向周期排列的可调谐的矩形声栅构成；声栅固定板上均设有周期排列的圆孔，声栅转动圆镶嵌在圆孔内，声栅转动圆中间设矩形孔，矩形声栅穿过并固定在矩形孔中，竖直固定板竖直固定在底座上，稳定块固定在竖直固定板与底座之间，吊装环设在竖直固定板的顶部，声栅支撑板设在左右竖直固定板的下部，声栅固定板设在左右竖直固定板的上部。为亚波长结构，尺寸小，可在水下环境工作，并实现快速调控声波的作用。

Description

一种小型水下亚波长声学开关装置

技术领域

本发明属于水声探测和水声通讯技术领域，尤其是涉及利用超表面实现的一种小型水下亚波长声学开关装置。

背景技术

目前，有很多关于空气中波前调控装置的研究，但是大多数不涉及水下的波前调控，实现水下声能流的导通与截止快速随意切换的水下亚波长声学开关装置的相关研究目前还没有人提出。传统的人工材料虽然能够实现声屏蔽作用，却具有大尺寸、调控速度慢等缺点([1]DeymierPAed2013AcousticMetamaterialsandPhononicCrystals(SpringerSeriesinSolid-StateSciences)Berlin:Springer)，尽管一般的声子晶体禁带特性也可以用来实现声能流的导通与截止，但其缺点是结构的尺寸仍旧远远大于入射声波的波长，并且调控速度也不够快，它们都不能同时满足小型化、集成化、水下快速调控的实用要求，而小型化和集成化才是未来声学设备发展趋势([2]Li yong.Research on soundwave regulation based on acoustic artificial structure[D].Doctoraldissertation,nanjing university,2013)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的声学开关装置尺寸大、调控速度慢、水下应用受局限等问题，提供利用超表面实现的一种小型水下亚波长声学开关装置。

本发明设有第一部分声人工结构、第二部分声人工结构、声栅固定板、声栅支撑板、吊装环、稳定块、底座、竖直固定板和声栅转动圆；

所述第一部分声人工结构为一维流固超晶格，设有前后两块有机玻璃板，前后两块有机玻璃板间设有夹缝，前后两块有机玻璃板固定在竖直固定板的凹槽内，工作时，液体浸入前后两块有机玻璃板夹缝之间，构成一维流固超晶格；所述第二部分声人工结构由沿水平方向周期排列的可调谐的矩形声栅构成；所述声栅固定板由上下两块有机玻璃板组成，上下两块有机玻璃板上均设有周期排列的圆孔，声栅转动圆镶嵌在声栅固定板的圆孔内，声栅转动圆中间设有矩形孔，第二部分声人工结构的矩形声栅穿过并固定在上下两排声栅转动圆的矩形孔之中，竖直固定板竖直固定在底座上，稳定块固定在竖直固定板与底座之间，吊装环设在竖直固定板的顶部，声栅支撑板设在左右竖直固定板的下部，声栅固定板设在左右竖直固定板的上部，第二部分声人工结构设于左右竖直固定板的之间。

所述一维流固超晶格为“有机玻璃-水-有机玻璃”的结构模式，每块有机玻璃板的长度可为400mm，宽度可为400mm，厚度可为2mm，前后两块有机玻璃板的夹缝可为1mm。

所述第二部分声人工结构的长度可为350mm，宽度可为15mm，厚度可为2mm；所述矩形声栅的宽度可为15mm，厚度可为2mm。

所述声栅固定板可采用矩形声栅固定板；矩形声栅固定板的长度可为400mm，宽度可为22mm，厚度可为10mm；所述声栅固定板的上有机玻璃板上周期排列的圆孔直径可为16mm，声栅固定板的下有机玻璃板上周期排列的圆孔直径可为15mm。

所述声栅支撑板的长度可为400mm，宽度可为22mm，厚度可为5mm。

所述吊装环的直径可为20mm。

所述底座的长度可为200mm，宽度可为50mm，厚度可为5mm。

所述竖直固定板的长度可为53mm，宽度可为40mm，厚度可为5mm。

所述声栅转动圆的直径可为16mm，所述矩形孔的长度可为15mm，宽度可为2mm。

本发明除声栅的材质可为钢以外，其余部分的材质均可为有机玻璃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为亚波长结构，尺寸小，可在水下环境工作，并实现快速调控声波的作用，由此可应用于水声探测及水声通讯领域。

附图说明

图1是本发明实施例的正视方向的结构示意图；

图2是本发明实施例的左视方向的上部部分结构示意图；

图3是本发明实施例的左视方向的下部部分结构示意图；

图4是本发明实施例的俯视方向的结构示意图；

图5是本发明实施例的整体结构示意图；

图6是本发明实施例的水声通讯原理示意图；

图7是本发明实施例的水声探测实验示意图；

图8是本发明实施例的水声探测实验结果示意图；

图9是本发明实施例旋转角度与信号强度关系图。

图中各标记为：1为一维流固超晶格、2为矩形声栅、3为声栅固定板、4为声栅支撑板、5为吊装环、6为稳定块、7为底座、8为竖直固定板、9为声栅转动圆、10为声音信息处理装置、11为本发明、12为探测目标物体、13为吊装器、14为水池。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～9，本发明实施例设有第一部分声人工结构1、第二部分声人工结构2、声栅固定板3、声栅支撑板4、吊装环5、稳定块6、底座7、竖直固定板8和声栅转动圆9；

所述一维流固超晶格1为“有机玻璃-水-有机玻璃”的结构模式，设有前后两块厚度为2mm的有机玻璃板相距1mm排列并固定在竖直固定板8的凹槽内，每块有机玻璃板的长度为400mm，宽度为400mm，工作时，液体浸入前后两块有机玻璃板夹缝之间，构成一维流固超晶格。

所述第二部分声人工结构2由沿水平方向周期排列的可调谐的矩形声栅构成，第二部分声人工结构2的长度可为350mm，宽度可为15mm，厚度可为2mm；所述矩形声栅的宽度可为15mm，厚度可为2mm。

所述声栅固定板3由上下两块有机玻璃板组成，上下两块有机玻璃板上均设有周期排列的圆孔；声栅固定板3可采用矩形声栅固定板；矩形声栅固定板的长度可为400mm，宽度可为22mm，厚度可为10mm；每一个矩形声栅固定板可由两块厚度为5mm的有机玻璃板组成；所述声栅固定板3的上有机玻璃板上周期排列的圆孔直径可为16mm，声栅固定板3的下有机玻璃板上周期排列的圆孔直径可为15mm。

所述声栅转动圆9的直径为16mm，声栅转动圆9镶嵌在声栅固定板3的圆孔内，声栅转动圆9中间设有矩形孔，矩形孔的长度为15mm，宽度为2mm，第二部分声人工结构2的矩形声栅穿过并固定在上下两排声栅转动圆9的矩形孔之中，由此实现矩形声栅(2)的任意角度的转动，达到本发明的声能流的导通与截止快速随意切换的目的。

所述竖直固定板8竖直固定在底座7上，底座7的长度为200mm，宽度为50mm，厚度为5mm。稳定块6固定在竖直固定板8与底座7之间，竖直固定板8的长度为53mm，宽度为40mm，厚度为5mm。直径为20mm的吊装环5设在竖直固定板8的顶部，所述声栅支撑板4设在左右竖直固定板8的下部，声栅支撑板4的长度为400mm，宽度为22mm，厚度为5mm；声栅固定板3设在左右竖直固定板8的上部，第二部分声人工结构2设在左右竖直固定板8的之间。

本发明实施例除声栅的材质为钢以外，其余部分的材质均为有机玻璃。

本发明的声学开关结构的整体厚度为12.5mm，当置于常温液体介质环境中，当平面入射波频率小于110kHz时，平面入射波的波长均大于声学开关结构整体厚度，当平面入射波频率为15kHz时，声学开关结构的整体厚度仅为入射波长的八分之一，并且通过一维流固超晶格和矩形声栅实现超表面效应。

参见图6，利用本发明对水下声波进行快速的导通与截止切换，对声波进行特定的调控，用声波的变化传达特定的信息。

参见图7，吊装器13将本发明11置于水池14中，探测目标物体12位于本发明前方，通过本发明探测后的发射声波与接收声波传输给声音信息处理系统10。

参见图8，在本实验结果中，有机玻璃的探测实验效果最明显，OFF(截断)与ON(导通)的情况下对比，在1m处的OFF和ON状态下，目标特性都不甚明显，而目标移到2m以后，OFF状态下依然探索不到目标，而在ON状态下，目标显现，反射声强高出背景场10dB左右。另外，其他材料目标的声场特性有些许不同。图8中的(a)图、(b)图、(c)图分别为钢制目标、铝质目标、空气柱三种材料目标的探测实验结果对比，其中空气柱的探测效果相对比较明显，ON状态下信号强度高出背景场有15dB左右。综上，当本发明为截断状态时，对目标材料具有很好的屏蔽作用；当本发明为导通的状态时，能很好地探测到不同距离的目标材料，证明本发明对探测不同材料、不同距离的目标具有明显的调控作用，可以在水下实现快速探测到不同的目标材料。

参见图9，为了找到本发明的低频声禁带范围，设计了如图9实验系统，菱形换能器发射平面波，收发合置换能器接收。随着模型旋转，入射波角度会改变，换能器把声波传回示波器，通过读取声波幅值以及导出数据后处理对比开关系数，由此得出结论。实验系统包括1.5m×1m×1m水箱、信号源、用于发射平面波的菱形换能器、用于接收的活塞换能器、示波器以及数据处理系统。本发明吊装在水面之上的刻度盘，可精确测量本发明的旋转偏角，从而确定波的入射角度。实验中发射20个脉冲波，脉冲间隔120ms，幅值为5V，这样可以避免狭小水箱多途反射干扰，可以较好地区分直达波和反射波。发射接收距离为28cm，统一水深28cm，实验过程中发射接收换能器位置不变，旋转模型测量带宽。

实验证明，在发射80kHz信号强度下，当无声栅模型旋转到37～41°范围时，信号基本淹没在背景噪声中，由此可认为37～41°范围是声禁带范围。

Claims (9)

1.一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于设有第一部分声人工结构、第二部分声人工结构、声栅固定板、声栅支撑板、吊装环、稳定块、底座、竖直固定板和声栅转动圆；

所述第一部分声人工结构为一维流固超晶格，设有前后两块有机玻璃板，前后两块有机玻璃板间设有夹缝，前后两块有机玻璃板固定在竖直固定板的凹槽内，工作时，液体浸入前后两块有机玻璃板夹缝之间，构成一维流固超晶格；所述第二部分声人工结构由沿水平方向周期排列的可调谐的矩形声栅构成；所述声栅固定板由上下两块有机玻璃板组成，上下两块有机玻璃板上均设有周期排列的圆孔，声栅转动圆镶嵌在声栅固定板的圆孔内，声栅转动圆中间设有矩形孔，第二部分声人工结构的矩形声栅穿过并固定在上下两排声栅转动圆的矩形孔之中，竖直固定板竖直固定在底座上，稳定块固定在竖直固定板与底座之间，吊装环设在竖直固定板的顶部，声栅支撑板设在左右竖直固定板的下部，声栅固定板设在左右竖直固定板的上部，第二部分声人工结构设于左右竖直固定板的之间。

2.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述一维流固超晶格为“有机玻璃-水-有机玻璃”的结构模式，每块有机玻璃板的长度为400mm，宽度为400mm，厚度为2mm，前后两块有机玻璃板的夹缝为1mm。

3.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述第二部分声人工结构的长度为350mm，宽度为15mm，厚度为2mm；所述矩形声栅的宽度为15mm，厚度为2mm。

4.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述声栅固定板采用矩形声栅固定板；矩形声栅固定板的长度为400mm，宽度为22mm，厚度为10mm；所述声栅固定板的上有机玻璃板上周期排列的圆孔直径为16mm，声栅固定板的下有机玻璃板上周期排列的圆孔直径为15mm。

5.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述声栅支撑板的长度为400mm，宽度为22mm，厚度为5mm。

6.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述吊装环的直径为20mm。

7.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述底座的长度为200mm，宽度为50mm，厚度为5mm。

8.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述竖直固定板的长度为53mm，宽度为40mm，厚度为5mm。

9.如权利要求1所述一种小型水下亚波长声学开关装置，其特征在于所述声栅转动圆的直径为16mm，所述矩形孔的长度为15mm，宽度为2mm。