CN113066471B - 一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，包括支撑模块，支撑模块上设有控制模块、执行器模块、测量模块、发声模块和消声模块，发声模块产生的声波通过由控制模块控制的执行模块调节后，由测量模块进行检测被调节后的声波数据，消声模块将产生的声音做消声处理。发声模块产生稳定的平面波，再经过执行器模块的调节后，平面波形状符合设计要求。本发明所提供的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，利用控制技术将原来的被动式结构变成主动式结构，结合声学超表面的声操纵原理，共同运用到本装置中，实现了高效的声波操纵。

Description

一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置

技术领域

本发明属于声波波阵面控制的声学器件技术领域，具体涉及一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置。

背景技术

声学超表面是一种具有特殊声学性能的超材料，能够利用亚波长厚度的人工结构实现对声波的操纵，声学超表面结构上主要分为迷宫型、共振腔型和薄膜型，功能上可分为透射型、吸收型和反射型，尽管它能够实现声异常折射、声学隐身斗篷和声聚焦等功能，然而传统的声学超表面采用的是被动式结构，无法根据需求变换结构，从而功能单一，可实际应用性差。

最近几年出现了几种新型的可调节型声学超表面，其中一种通过调节共振腔里的液面高度来调节有效体积模量，从而调节入射波和折射波的相位差，然而由于液体的流动性，这种类型的声学超表面无法倾斜翻转，且操控速率低下，实用性较差。另一种通过动态调节每个独立螺旋单元深度的声学超表面尽管实现了定向聚焦波束等功能，但是这种结构只能用于对反射声波的控制。因此，现在需求一种能够实现高效且多功能操控透射声波的声学超表面来提升其实用性。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便，操纵效率较高的声学超表面，利用编程控制方法来实现声学超表面的可调节性，基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，包括支撑模块，支撑模块上设有控制模块、执行器模块、测量模块、发声模块和消声模块，发声模块产生的声波通过由控制模块控制的执行器模块调节后，由测量模块进行检测被调节后的声波数据，消声模块将产生的声音做消声处理。

优选地，所述支撑模块包括支撑模块框架、盖板、上支撑板和下支撑板，支撑模块框架是由角铝组成，相邻角铝之间通过螺栓连接为框架结构；上支撑板和下支撑板依次从上到下通过螺栓固定在支撑模块框架上，盖板与支撑模块框架可转动连接，盖板位于上支撑板的上部。

优选地，所述控制模块包括计算机、主控制器、集成电路实验板、从控制器、电机驱动模块、第一电源、控制器局域网络通信模块和第二电源，集成电路实验板与支撑模块相连；计算机与主控制器之间通过USB数据线电连接，主控制器与从控制器之间通过控制器局域网络通信模块电连接，电机驱动模块通过跳线与从控制器电连接且固定在集成电路实验板上，第一电源与集成电路实验板电连接且为从控制器供电，第二电源与电机驱动模块电连接，电机驱动模块与执行器模块电连接，第二电源为执行器模块供电。

优选地，所述执行器模块包括声学超表面单元和丝杆滑块步进电机，声学超表面单元的下部与丝杆滑块步进电机的输出端相连，声学超表面单元的上部与上支撑板相连，丝杆滑块步进电机与支撑模块通过螺栓固连，丝杆滑块步进电机带动声学超表面单元反复运动。

优选地，所述声学超表面单元包括声学超表面单元底座和声学超表面单元主体，声学超表面单元底座和声学超表面单元主体固连，声学超表面单元底座呈“T”字型结构，声学超表面单元主体为腔体结构。

优选地，所述测量模块包括麦克风、麦克风支座、固定压片、长直尺和数据采集仪，麦克风放置在麦克风支座上并与数据采集仪电连接，三个长直尺构成H形结构并通过固定压片以及螺栓连接到支撑模块上。

优选地，所述发声模块包括平面波发生器，平面波发生器内部集成了信号发生器和功率放大器，平面波发生器与支撑模块通过螺栓固定连接。

优选地，所述消声模块包括消音泡沫，消音泡沫置于支撑模块的上支撑板与盖板之间；消音泡沫的表面设置为连续排列的三角劈尖，消音泡沫的表面沿测量声场外围排列，以利于声音的吸收。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，利用控制技术将原来的被动式结构变成主动式结构，结合声学超表面的声操纵原理，共同运用到本装置中，实现了高效的声波操纵。

2、本发明的控制装置采用的是Arduino微控制器，可以降低成本，并且可以高效稳定的完成各种任务。

3、本发明不同于泵体式的控制方法，采取机械传动可直接改变声学超表面的结构，系统响应快，传输效率高。

4、本发明实现了装置的部分自动化，由于采用的是编程控制方法，Arduino微控制器可以进行多次编程，易于二次开发，对不同的声学超表面都能实现控制，能减少材料的浪费。

附图说明

图1是本发明一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置的结构示意图；

图2是本发明支撑模块的装配图；

图3是本发明控制模块的结构示意图；

图4是本发明控制模块原理图；

图5是本发明执行器模块的结构图；

图6是本发明声学超表面单元和丝杆滑块步进电机的位置结构示意图；

图7是本发明声学超表面的结构示意图。

附图标记说明：1、支撑模块；2、控制模块；3、执行器模块；10、平面波发生器；11、固定压片；12、盖板；13、上支撑板；14、消音泡沫；15、丝杆滑块步进电机；16、下支撑板；17、麦克风；18、长直尺；20、上位监视系统；21、主控制器；22、集成电路实验板；23、从控制器；24、电机驱动模块；25、第一电源；26、控制器局域网络通信模块；27、第二电源；28、电阻丝；30、声学超表面单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图7所示，本发明提供的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，包括支撑模块1，支撑模块1上设有控制模块2、执行器模块3、测量模块、发声模块和消声模块，发声模块产生的声波通过由控制模块2控制的执行器模块3调节后，由测量模块进行检测被调节后的声波数据，消声模块将产生的声音做消声处理。发声模块产生稳定的平面波，再经过执行器模块3的调节后，平面波形状符合设计要求。

如图2所示，支撑模块1包括支撑模块框架、盖板12、上支撑板13和下支撑板16，支撑模块框架是由多个角铝组成，角铝上设置有角铝连接孔，相邻角铝之间通过螺栓穿过角铝连接孔从而连接为框架结构。上支撑板13和下支撑板16依次从上到下通过螺栓固定在支撑模块框架上，盖板12与支撑模块框架可转动连接，在本实施例中盖板12与支撑模块框架通过合页相连，盖板12位于上支撑板13的上部。盖板12、上支撑板13和下支撑板16均由亚克力板制成，盖板12、上支撑板13和下支撑板16的尺寸参数根据实际使用需求，进行针对性的设置和更改。

如图3和图4所示，控制模块2包括计算机20、主控制器21、集成电路实验板22、从控制器23、电机驱动模块24、第一电源25、控制器局域网络通信模块26和第二电源27。计算机20与主控制器21之间通过USB数据线电连接，主控制器21与从控制器23之间通过控制器局域网络通信模块26电连接，电机驱动模块24通过跳线与从控制器23电连接且固定在集成电路实验板22上，第一电源25与集成电路实验板22电连接且为从控制器23供电，第二电源27与电机驱动模块24电连接，电机驱动模块24与执行器模块3电连接，第二电源27为执行器模块3供电。本实施例中第二电源27与电机驱动模块24之间安装有电容装置，电容装置为现有成熟技术设备，电容装置的电容参数为100μF，控制器局域网络通信模块26的数量为多个且并联安装在集成电路实验板22上，相邻控制器局域网络通信模块26之间安装有电阻丝，电阻丝的电阻值为150Ω。

图4中所表示为控制模块2的原理图，图中的数字标号分别对应控制模块2的各个设备。其中数字标号为28的部分表示电阻丝，数字标号为29的部分表示为电容装置。

本实施例中的计算机20为上位监视系统的计算机、主控制器21为Arduino UNO R3主控制器、从控制器23为Arduino Nano从控制器，控制器局域网络通信模块26采用MCP-2515CAN总线通信模块。本实施例中的A4988电机驱动模块24为A4988电机驱动模块，第一电源25的电压为5V，第二电源27的电压为12V。

上位监视系统中的计算机20通过通用串行总线与Arduino UNO R3主控制器21进行数据传输，Arduino UNO R3主控制器21与MCP-2515CAN总线通信模块26通过杜邦线固连。与主控制器21连接的MCP-2515CAN总线通信模块26的高低位线将作为公共线，之后在公共线上并联负载MCP-2515CAN总线通信模块26，数量为20，与公共线并联的每一个MCP-2515CAN总线通信模块26都将单独与一个Arduino Nano从控制器23通过杜邦线固连，从控制器23插接于集成电路实验板22，集成电路实验板22粘接到下支撑板16上，MCP-2515CAN总线通信模块26在集成电路实验板22上短接150Ω电阻丝28，100μF电容29与12V电源27相连，A4988电机驱动模块24通过针脚插接于集成电路实验板22，集成电路实验板22的公共线并联负载与声学超表面单元30数量相同的MCP-2515CAN总线通信模块26，12V电源27与集成电路实验板22相连。

如图5和图6所示，执行器模块3包括声学超表面单元30和丝杆滑块步进电机15，声学超表面单元30的下部与丝杆滑块步进电机15的输出端相连，声学超表面单元30的上部与上支撑板13通过螺栓相连，丝杆滑块步进电机15与支撑模块1通过螺栓固连，丝杆滑块步进电机15带动声学超表面单元30反复运动。

声学超表面单元30包括声学超表面单元底座和声学超表面单元主体，声学超表面单元底座和声学超表面单元主体固连，声学超表面单元底座呈“T”字型结构，声学超表面单元主体为腔体结构。

如图5到图7所示，声学超表面单元30包括声学超表面上部和声学超表面下部装置，声学超表面上部呈“几”字形结构，声学超表面上部内凹部分平行设有竖直的声学超表面隔板，多个声学超表面隔板平行布置。声学超表面下部装置安装在声学超表面隔板之间，声学超表面下部装置包括声学超表面底座和声学超表面单元主体，声学超表面单元底座和声学超表面单元主体固连，声学超表面单元底座呈“n”字型结构。声学超表面单元主体包括多个声学超表面单元腔体结构，声学超表面单元腔体的截面为矩形，截面的顶部为开口结果。多个声学超表面单元腔体平行设置。在本实施例中，声学超表面单元腔体的数量为五个且呈线性并联。

声学超表面单元底座的顶部的内部设有支撑件，多个支撑件用于支撑声学超表面单元底座和声学超表面单元主体。

在本实施例中，丝杠滑块步进电机15的电机端置于支撑模块框架上两个角铝之间，丝杠滑块步进电机15的输出端与声学超表面单元底座通过螺钉固连。丝杠滑块步进电机15为现有成熟技术设备，通过步进电机驱动丝杠滑块的方式带动滑块上下运动，同时本申请中的丝杠滑块步进电机15输出端的滑块与声学超表面单元底座的两端通过螺钉相连，滑块在上下运动过程中带动声学超表面单元底座同步运动。

测量模块包括麦克风17、麦克风支座、固定压片11、长直尺18和数据采集仪，麦克风17放置在麦克风支座上并与数据采集仪电连接，三个长直尺18构成H形结构并通过固定压片11以及螺栓连接到支撑模块1上。

在本实施例中，麦克风支座的数量与麦克风17的数量相同，数量为二的麦克风支座分别位于声学超表面30的两边。将两个麦克风17中的一个放置于声学超表面30后端的麦克风支座上并固定，另一个放置于声学超表面30前端的麦克风支座上并固定，长直尺18通过固定压片11以及螺栓连接到支撑模块1的支撑模块框架上。长直尺18的数量为三，三个长直尺18以水平、垂直和水平的方式形成“H”字形结构，其中位于中间的长直尺的两端分别连接至另两个长直尺的中部固定，连接后的H形结构再连接到支撑模块框架上，利用长直尺18上的刻度以及两个垂直设置的长直尺可形成二维坐标系。将麦克风支座放置在上支撑板13上，此时可测量出麦克风支座上的麦克风17在上支撑板13中的坐标，记录该坐标，同时通过记录数据采集仪中两个麦克风17的数据，此数据将用于判断声波有无实现折射、聚焦和自弯曲功能。固定压片11上设有U型槽，两个长直尺的两端分别通过固定压片11的U型槽固定在支撑模块框架上，数据采集仪与麦克风17电连接。

在本实施例中，数据采集仪为现有成熟技术设备，通过数据采集仪与麦克风17的电连接，数据采集仪能够采集到麦克风17上的声波数据。

发声模块包括平面波发生器10，平面波发生器10内部集成了信号发生器和功率放大器，平面波发生器10与支撑模块1通过螺栓固定连接。

消声模块包括消音泡沫14，消音泡沫14置于支撑模块1的上支撑板13与盖板12之间。消音泡沫14的表面设置为连续排列的三角劈尖，消音泡沫14的表面沿测量声场外围排列，以利于声音的吸收。消音泡沫14呈“回”字型状安装在支撑模块框架内。

本发明的工作过程和原理如下：

本实施例设计的声学超表面单元的参数包含缝宽d，腔体的宽度a。在设备开始工作前，调试好测量模块和发声模块并保证其能正常工作，检查电路中有无引脚插错情况，将12V的第二电源27连接到集成电路实验板22使其为A4988的电机驱动模块24供电，5V的第一电源25接入集成电路实验板22使其为Arduino Nano从控制器23供电，保证供电系统正常。

利用上位监视系统30中科学计算软件Matlab建立声学超表面模型，并分析计算出声学超表面缝宽d矩阵，以此建立丝杠滑块步进电机15步幅与缝宽d的数学模型，得到最优步进量矩阵(Step_matrix)。

本发明的控制模块2包含主控制器21Arduino UNO R3、从控制器23Arduino Nano，Arduino控制器是一款便捷灵活的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)，具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境，对Arduino的编程是通过Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(基于Processing)来实现的。

在主控制器21Arduino UNO R3的Arduino IDE中编写与上位监视系统通信的CAN总线通信算法，在此通信算法中，通过调用SPI和MCP2515库函数，声明传输数据类型，设置数据传输通道、设置ID位、数据量、波特率、屏蔽器、滤波器、初始化正常模式和启动串口监视器来使下位机与上位机进行数据传输。

Arduino Nano从控制器23是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是没有电源25插座以及USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano尺寸非常小且可以直接插接在集成电路实验板22上使用，其处理器核心是ATmega328(Nano3.0)。从控制器23的主要功能是接收主控制器21命令后通过算法控制丝杆滑块步进电机15。调控声学超表面30要求精度高，位移进阶量为微米级，Arduino控制器每秒可执行83万多次循环，CPU每秒运行1600万个周期，同时丝杆滑块步进电机15步幅在全步进模式下为0.15mm，在丝杆滑块步进电机15的16细分模式下为0.009375mm，Arduino控制器与丝杆滑块步进电机15的结合将非常适合声学超表面30调制声场。

在从控制器23Arduino Nano IDE中写入最优步进量矩阵以及编写通信算法和丝杆滑块步进电机15运动算法。在从控制器23的通信算法中，设置同一波特率、同一相位调整长度TESG、设置同步跳转宽度来定义位时间长度以及采样点位置，采用仲裁域不同的标准帧和扩展帧来监测总线状态，之后用硬同步来判断帧起始。在数据传输过程中，CAN控制器通过检测总线上的跳变沿与节点内部位时间差异来调整相位调整段1和相位调整段2，调整大小由同步跳转宽度编程设定。节点处的验收滤波器单元将配置ID表来验收数据包ID，利用总线仲裁使高优先级数据包的节点仲裁胜出，之后进行CAN总线鲁棒性分析来实时检测与监控总线数据包安全性。将通信算法通过通用串行总线上传至Arduino Nano从控制器23，Arduino IDE信息栏显示上传成功即表示程序录入完毕。保留Arduino UNO R3主控制器21通用串行总线，以便上位监视系统20能将执行命令传输至主控制器21。

为保证主控制器21与从控制器23进行稳定数据传输使得声学超表面30能精确调制声场，采用控制器局域网络通信模块即CAN总线通信模块，本发明在两个主从控制器之间设置两个MCP-2515CAN总线通信模块，与主控制器21连接的MCP-2515CAN总线通信模块26接收到上位监视系统20发出的命令后将数据传输至高低位线，与高低位线并联负载的MCP-2515CAN总线通信模块26将命令传输至从控制器23，数据在MCP-2515CAN总线模块26的传输过程服役于稳定。

从控制器23接收数据后将按算法使GPIO口输出脉冲信号，A4988电机驱动模块24接收脉冲信号后对丝杠滑块步进电机15输出脉冲电流，此时系统将进行初始化，使20个丝杠滑块步进电机15达到预定位置，延时2秒后，从控制器23将控制20个丝杠滑块步进电机15按预设轨迹进行运动，丝杠滑块步进电机15随后带动声学超表面30做起伏运动，在声学超表面30运动过程中，由于声学超表面上表面固定于上支撑板13，此时声学超表面腔室与上表面的距离即缝宽d将发生变化，缝宽d变化则会使声场产生相应变化，丝杠滑块步进电机15在脉冲电流的控制下使得声超表面缝宽d能被精准实时同步调制，本发明中采用Helmholtz共振腔来实现透射声波的相位控制。入射声波与其穿过声学超表面30后的透射波的相位差φ与d和入射声波工作频率f之间的关系可表达为：

其中，如图6所示，a为腔体的宽度，b腔体的高度，w为共振腔颈部宽度，d为缝宽，f＝ω/2π，f₀＝ω₀/2π＝7013Hz为共振腔的共振频率，

而

是共振腔腔体空气的声容，M_HR＝ρ₀h_eff/w为共振腔颈部空气的声质量，w是共振腔颈部宽度，h_eff＝h+8w/3π是共振腔颈部的有效长度，h是共振腔颈部实际长度。根据广义斯奈尔定律：

其中，k₀＝ω/c₀是波数，

是沿x轴的相移分布时间，θ_i为入射角，θ_t折射角。结合控制模块2对声学超表面30的缝宽d的调节可实现对声波的操纵，如：平面波折射，聚焦等，本实施例选取如下参数：a＝7.5mm，b＝7.5mm，w＝4.4mm，h＝1mm，f＝5000Hz，在系统运行过程中，数据采集仪将记录声场数据，以此来分析声学超表面的运动情况。丝杠滑块步进电机15运动完毕后，在计算机中输入复位命令，丝杠滑块步进电机15将回复到最原始位置。由结果可知，通过这种结构的声学超表面单元30能实现全相位调控、声波聚焦、声异常折射、和声学隐身斗篷等功能。

本发明利用Arduino微控制器，结合了声学超表面30能对声波进行操纵的原理到本装置中，实现了声学超表面的功能性扩展。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：包括支撑模块(1)，支撑模块(1)上设有控制模块(2)、执行器模块(3)、测量模块、发声模块和消声模块，发声模块产生的声波通过由控制模块(2)控制的执行器模块(3)调节后，由测量模块进行检测被调节后的声波数据，消声模块将产生的声音做消声处理；

所述执行器模块(3)包括声学超表面单元(30)和丝杆滑块步进电机(15)，声学超表面单元(30)的下部与丝杆滑块步进电机(15)的输出端相连，声学超表面单元(30)的上部与上支撑板(13)相连，丝杆滑块步进电机(15)与支撑模块(1)通过螺栓固连，丝杆滑块步进电机(15)带动声学超表面单元(30)反复运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述支撑模块(1)包括支撑模块框架、盖板(12)、上支撑板(13)和下支撑板(16)，支撑模块框架是由角铝组成，相邻角铝之间通过螺栓连接为框架结构；上支撑板(13)和下支撑板(16)依次从上到下通过螺栓固定在支撑模块框架上，盖板(12)与支撑模块框架可转动连接，盖板(12)位于上支撑板(13)的上部。

3.根据权利要求1所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述控制模块(2)包括计算机(20)、主控制器(21)、集成电路实验板(22)、从控制器(23)、电机驱动模块(24)、第一电源(25)、控制器局域网络通信模块(26)和第二电源(27)，集成电路实验板(22)与支撑模块(1)相连；计算机(20)与主控制器(21)之间通过USB数据线电连接，主控制器(21)与从控制器(23)之间通过控制器局域网络通信模块(26)电连接，电机驱动模块(24)通过跳线与从控制器(23)电连接且固定在集成电路实验板(22)上，第一电源(25)与集成电路实验板(22)电连接且为从控制器(23)供电，第二电源(27)与电机驱动模块(24)电连接，电机驱动模块(24)与执行器模块(3)电连接，第二电源(27)为执行器模块(3)供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述声学超表面单元(30)包括声学超表面单元底座和声学超表面单元主体，声学超表面单元底座和声学超表面单元主体固连，声学超表面单元底座呈“T”字型结构，声学超表面单元主体为腔体结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述测量模块包括麦克风(17)、麦克风支座、固定压片(11)、长直尺(18)和数据采集仪，麦克风(17)放置在麦克风支座上并与数据采集仪电连接，三个长直尺(18)构成H形结构并通过固定压片(11)以及螺栓连接到支撑模块(1)上。

6.根据权利要求1所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述发声模块包括平面波发生器(10)，平面波发生器(10)内部集成了信号发生器和功率放大器，平面波发生器(10)与支撑模块(1)通过螺栓固定连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于微控制器设计的可调节声学超表面的装置，其特征在于：所述消声模块包括消音泡沫(14)，消音泡沫(14)置于支撑模块(1)的上支撑板(13)与盖板(12)之间；消音泡沫(14)的表面设置为连续排列的三角劈尖，消音泡沫(14)的表面沿测量声场外围排列，以利于声音的吸收。

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