CN113628607B - 一种声学天线及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于声学超材料领域。为了解决如何利用超表面来实现对宽频声波的调控的问题，本发明提供一种声学天线及其应用，该声学天线包括两种编码单元，这两种编码单元通过合理排布可以使透射声波产生相反的透射相位，该声学天线可根据辐射声波频率，将声波偏转至某一特定方向，当频率周期变化时，声波偏转方向可在一定角度内周期变化，从而形成扇形扫描区域。在进行声学探测时根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，并根据回波时间以确定障碍物的距离。

Description

一种声学天线及其应用
技术领域
本发明属于声学超材料领域，尤其涉及一种声学天线及其应用。
背景技术
编码声学超表面是一种亚波长可编码声学超材料，这类亚波长编码超材料实现对波动的调控，所依托的是单元的宽频设计以及编码序列的重构。其原理是通过在材料界面铺设亚波长可编码单元实现对相位分布的图案化设计。人工控制相位技术为波动调控开启新的大门，利用超表面可以实现超常波动性能，如负折射率、声聚焦、弯曲声束、螺旋声场、声能量非对称传输、近零折射率隐身等。
传统超表面一经设计便无法改变，其固定的结构使得其适用频率范围较窄，其应用受到限制，使其巨大优势无法充分发挥，对应频率范围较宽的应用场合，需要多种超表面结构，使得成本提高。编码声学超表面能够快速的对声场进行调控，其可编码特性相对于普通材料而言具有巨大的优势，编码超表面在声学天线、噪声控制、国防工业、建筑声学等领域具有广阔的应用前景。如何利用超表面来实现对宽频声波的调控是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决如何利用超表面来实现对宽频声波的调控的问题，本发明提供一种声学天线及其应用，该声学天线包括两种编码单元，这两种编码单元通过合理排布可以使透射声波产生相反的透射相位，该声学天线可根据辐射声波频率，将声波偏转至某一特定方向，当频率周期变化时，声波偏转方向可在一定角度内周期变化，从而形成扇形扫描区域。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种声学天线，包括声学超表面，所述声学超表面包括基板以及形成在基板的一面上的两种编码单元，所述两种编码单元底面积相同且呈周期性排列，编码单元由柱状体和柱状体之间形成空气通道组成，透射声波的波长大于声学天线的厚度，透射声波经空气通道调控后，在两个编码单元处具有相反的透射相位，其反相位特征在宽频范围内保持稳定，透射声波的波束辐射角度随声辐射频率的变化而变化，从而形成扇形扫描区域；
其中一种编码单元中柱状体的位置如下：将编码单元的底面划分为60×42格，柱状体的占位为：第一排1-60格，第十二排26-36格；第十三排26-37格，第十四排19-40格，第十五排16-41格及48格，第十六排15-48格，第十七到第十九排13-48格，第二十到二十一排14-48格，第二十二排14-20格及42-48格，第二十三排13-20格及43-48格，第二十四排12-19格及45-48格，第二十五排10-18格及45-48格，第二十六排1-18格及45-48格，第二十七排1-18格及47-48格，第二十八到第四十一排1-18格，第十二排1-60格；
另外一种编码单元中的柱状体的位置如下：将编码单元的底面划分为60×42格，柱状体的占位为：第一排1-60格，第二排1-12格及45-56格，第三排1-12格及45-55格，第四排到七排1-12格及45-54格，第八排1-12格、24-25格及45-54格，第九排1-12格、24-26格及45-53格，第十排1-12格、24-30格及45-52格，第十一排1-12格、24-30格及45-50格，第十二排1-13格、25-30格及45-50格，第十三排1-13格、27-30格及45-50格，第十四排2-13格、27-30格及45-50格，第十五排2-13格、27-30格及45-47格，第十六排到十七排1-12格、27-30格及45-47格，第十八排1-12格、27-30格及45-46格，第十九到二十五排1-12格及27-30格，第二十六排1-12格及26-30格，第二十七排1-12格及25-30格，第二十八排到第四十一排25-30格，第四十二排1-60格。
进一步的，所述波束辐射角度θ为：
θ＝sin-1(c/Lfperi)
其中，c为空气声速，L为编码单元的周期长度，fperi为周期变化的声辐射频率。
进一步的，该声学天线的辐射角度随声辐射频率的增大而减小。
进一步的，所述两种编码单元交替排列或棋盘式排列。
进一步的，所述两种编码单元交替排列，且每个编码位置包括2×2个单元，一个编码周期内有4个单元，每个单元的宽度为H，则编码周期为L＝4H，辐射声束的偏转角度为：
θ＝sin-1(c/4Hfperi)。
进一步的，所述两种编码单元为棋盘式排列，且每个编码位置包括3×3个单元，一个编码周期内有9个单元，每个单元的宽度为H，则编码周期为波束偏转角度为：
进一步的，所述柱状体通过3D打印光敏树脂得到，方法简单快捷，一次成型，具有投产应用前景。
本发明还提供上述声学天线在声学探测中的应用，在进行声学探测时根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，并根据回波时间以确定障碍物的距离。
本发明所述的宽频范围是指2000Hz-5000Hz，优选的宽频范围为2500Hz-4500Hz。
本发明具有如下有益效果：两种编码单元的不同排列方式可以组成不同功能的声学天线。该声学天线可根据辐射声波频率，将声波偏转至某一特定方向。当频率周期变化时，声波偏转方向可在一定角度内周期变化，从而形成扇形扫描区域。在进行声学探测时可根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，进一步根据回波时间可以确定障碍物的距离。该声学天线在目标探测，噪声控制等方面具有重要的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的新型声学天线的整体结构及原理示意图；
图2是第一种编码单元的详细几何图形；
图3为第二种编码单元的详细几何图形；
图4为第一种编码单元各部分的占位示意图；
图5为第二种编码单元各部分的占位示意图；
图6为编码单元交替排列时声学天线的效果；
图7为编码单元棋盘式排列时声学天线的效果。
以上图中，1-第一种编码单元；2-第二种编码单元；3-声学天线；4-柱状体；5-空气通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
一种声学天线，包括声学超表面，如图1所示，声学超表面包括固体材质的基板以及形成在基板的一面上的两种编码单元：第一种编码单元1和第二种编码单元2，两种编码单元的底面积相同且呈周期性排列，编第一种编码单元1和第二种编码单元2均由柱状体4和柱状体4之间形成空气通道5组成。
如图2-5所示两种编码单元的柱状体的形状和位置不同。两种编码单元由遗传算法优化设计得到。将两种编码单元的底面分别划分为60×42格，则第一种编码单元1的柱状体的占位如图4所示为：第一排1-60格，第十二排26-36格；第十三排26-37格，第十四排19-40格，第十五排16-41格及48格，第十六排15-48格，第十七到第十九排13-48格，第二十到二十一排14-48格，第二十二排14-20格及42-48格，第二十三排13-20格及43-48格，第二十四排12-19格及45-48格，第二十五排10-18格及45-48格，第二十六排1-18格及45-48格，第二十七排1-18格及47-48格，第二十八到第四十一排1-18格，第十二排1-60格。
第二种编码单元2的柱状体的占位如图5所示，第一排1-60格，第二排1-12格及45-56格，第三排1-12格及45-55格，第四排到七排1-12格及45-54格，第八排1-12格、24-25格及45-54格，第九排1-12格、24-26格及45-53格，第十排1-12格、24-30格及45-52格，第十一排1-12格、24-30格及45-50格，第十二排1-13格、25-30格及45-50格，第十三排1-13格、27-30格及45-50格，第十四排2-13格、27-30格及45-50格，第十五排2-13格、27-30格及45-47格，第十六排到十七排1-12格、27-30格及45-47格，第十八排1-12格、27-30格及45-46格，第十九到二十五排1-12格及27-30格，第二十六排1-12格及26-30格，第二十七排1-12格及25-30格，第二十八排到第四十一排25-30格，第四十二排1-60格。
透射声波的波长大于声学天线的厚度，透射声波经空气通道调控后，在两个编码单元处具有相反的透射相位，其反相位特征在宽频范围内保持稳定，透射声波的波束辐射角度随声辐射频率的变化而变化，从而形成扇形扫描区域。
波束辐射角度θ为：
θ＝sin-1(c/Lfperi)
其中，c为空气声速，L为编码单元的周期长度，fperi为周期变化的声辐射频率。该声学天线的辐射角度随声辐射频率的增大而减小。
通过两种编码单元的合理排布可以使声波沿某方向辐射，且辐射角度与频率相关，周期变化的辐射频率使声辐射角度也呈周期变化。因此，在进行声学探测时可根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，进一步根据回波时间可以确定障碍物的距离。
实施例1-2
图6与图7为本发明声学天线的实施例1-2，在实施例1-2中每个编码单元的具体几何尺寸如图2和图3所示，对于每个编码单元而言，声波透射方向的厚度为D＝0.06m，每个编码单元的宽度H＝0.041m，均通过3D打印光敏树脂得到。
实施例1，如图6所示，声学天线的编码排列方式为交替排列，且每个编码位置包括2×2个单元，因此一个编码周期内有四个单元，则编码周期为L＝4H,所以辐射声束的偏转角度θ为：
θ＝sin-1(c/4Hfperi)
其中辐射声波频率不同时，声束偏转角度θ也不同，图6给出了2500Hz,3500Hz以及4500Hz的模拟结果。可见在编码单元交替排列的情况下，声辐射波束为两束，且偏转角度θ随频率fperi的增大而减小，其辐射角度位于27.7°至56.8°之间。
实施例2，如图7所示，声学天线的编码排列方式为棋盘式排列，且每个编码位置包括3×3个单元，等效的编码周期为因此波束偏转角度为：
同样，声束偏转角度θ与频率相关，图7给出了2700Hz,3500Hz以及4400Hz的模拟结果。可见在编码单元棋盘式排列的情况下，声辐射波束为四束，且偏转角度θ随频率fperi的增大而减小，其辐射角度位于26.6°至46.9°之间。
该声学天线可根据辐射声波频率，将声波偏转至某一特定方向。当频率周期变化时，声波偏转方向可在一定角度内周期变化，从而形成扇形扫描区域。在进行声学探测时可根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，进一步根据回波时间可以确定障碍物的距离。因此本发明的宽频声学天线在目标探测，噪声控制等方面具有重要的应用前景。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种声学天线，其特征在于，包括声学超表面，所述声学超表面包括基板以及形成在基板的一面上的两种编码单元，所述两种编码单元底面积相同且呈周期性排列，编码单元由柱状体和柱状体之间形成空气通道组成，透射声波的波长大于声学天线的厚度，透射声波经空气通道调控后，在两个编码单元处具有相反的透射相位，其反相位特征在宽频范围内保持稳定，透射声波的波束辐射角度随声辐射频率的变化而变化，从而形成扇形扫描区域；
其中一种编码单元中柱状体的位置如下：将编码单元的底面划分为60×42格，柱状体的占位为：第一排1-60格，第十二排26-36格；第十三排26-37格，第十四排19-40格，第十五排16-41格及48格，第十六排15-48格，第十七到第十九排13-48格，第二十到二十一排14-48格，第二十二排14-20格及42-48格，第二十三排13-20格及43-48格，第二十四排12-19格及45-48格，第二十五排10-18格及45-48格，第二十六排1-18格及45-48格，第二十七排1-18格及47-48格，第二十八到第四十一排1-18格，第十二排1-60格；
另外一种编码单元中的柱状体的位置如下：将编码单元的底面划分为60×42格，柱状体的占位为：第一排1-60格，第二排1-12格及45-56格，第三排1-12格及45-55格，第四排到七排1-12格及45-54格，第八排1-12格、24-25格及45-54格，第九排1-12格、24-26格及45-53格，第十排1-12格、24-30格及45-52格，第十一排1-12格、24-30格及45-50格，第十二排1-13格、25-30格及45-50格，第十三排1-13格、27-30格及45-50格，第十四排2-13格、27-30格及45-50格，第十五排2-13格、27-30格及45-47格，第十六排到十七排1-12格、27-30格及45-47格，第十八排1-12格、27-30格及45-46格，第十九到二十五排1-12格及27-30格，第二十六排1-12格及26-30格，第二十七排1-12格及25-30格，第二十八排到第四十一排25-30格，第四十二排1-60格。
2.根据权利要求1所述的声学天线，其特征在于，所述波束辐射角度θ为：
θ＝sin-1(c/Lfperi)
其中，c为空气声速，L为编码单元的周期长度，fperi为周期变化的声辐射频率。
3.根据权利要求2所述的声学天线，其特征在于，该声学天线的辐射角度随声辐射频率的增大而减小。
4.根据权利要求1所述的声学天线，其特征在于，所述两种编码单元交替排列或棋盘式排列。
5.根据权利要求2所述的声学天线，其特征在于，所述两种编码单元交替排列，且每个编码位置包括2×2个单元，一个编码周期内有4个单元，每个单元的宽度为H，则编码周期为L＝4H，辐射声束的偏转角度为：
θ＝sin-1(c/4Hfperi)。
6.根据权利要求2所述的声学天线，其特征在于，所述两种编码单元为棋盘式排列，且每个编码位置包括3×3个单元，一个编码周期内有9个单元，每个单元的宽度为H，则编码周期为波束偏转角度为：
7.根据权利要求1所述的声学天线，所述柱状体通过3D打印得到。
8.权利要求1所述的声学天线应用于声学探测，其特征在于，在进行声学探测时根据扫描区域内回波的频率来确定障碍物的方向，并根据回波时间以确定障碍物的距离。
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