CN113765595A - 一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，搭建基于超表面的类声表面波传输装置；基于类声表面波传输装置的结构，得到对应的色散关系，确定等效传播波矢；基于等效传播波矢，确定传播路径：基于等效传播波矢，确定声道的空间间距以及发射面和接受面的位置；搭建声发射面，确定声发射面的振幅和相位分布；通过接收面测量空间复用的非周期声信号。本发明通过单独调制源的强度以实现信号的空间复用，具有更大的灵活性；且信号能够沿着弯曲路径进行传播，克服了以往工作中只能沿直线路径传输信号的局限性；结合人工超结构亚波长尺度的特性，对于声表面器件和光芯片上的相关通信工作均可使用本发明进行设计并实现信号的稳定空间复用。
Description
技术领域
本发明涉及声通信领域，特别是涉及一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法。
背景技术
声通信在信号传输领域具有重要意义，例如水下探测中声波作为传递能量的主要媒介在信号的转换、传输和接收过程中都起到不可忽视的作用。其中波分复用、时分复用和基于轨道角动量的OAM复用技术是实现声信号空间复用的主要传输技术。然而，目前的复用技术都存在一些问题，限制其发展。首先复用技术的工作机制都涉及到信息的编码和解码，即信号需要在发射和接收平面上进行处理和转换，使得整个过程非常复杂。除此之外，考虑衍射极限的存在，信号密度无法充分压缩。同时信号传输过程中伴随着较大的能量衰减，传输距离也受到限制。这些问题都影响着通信的效率，是声通信领域亟待解决的问题。
声表面波(SAW)作为一种特殊的声波传播模式近年来得到人们的广泛关注，它支持在固体-固体、固体-液体或液体-液体界面上进行传播，传播方向与表面平行，振幅在垂直界面方向上呈指数衰减。根据这种弹性波的特点，即表面波的传播速度远小于光波这一特性，常被用作延迟线，以减慢电信号的传输速度，方便信号的处理。同时与声波在空气或水中的传播情况相比，声表面波在声表面波器件上传播时，等效波矢更大，基于衍射极限相关理论，这使得传输具有更高信息密度特征的声信号成为可能。而由于声表面波器件与接触介质之间的强耦合，声波可以在界面处局部化，损耗很小，这又为信号的远距离传输提供了一种可能。因此人们结合声表面波实现了一些片上的声信号传输工作。随着超材料的提出，一种新型的伪声表面波(SSAWs)概念被提出，许多新颖的声学现象也随之被呈现。与传统的声表面波器件不同，SSAW器件最显著的特点是后者的色散特性取决于结构的几何参数而不是材料参数，这保证了通过设计传输介质的结构特征，我们将能够控制声波的传播方向，进而设计传播路径，甚至实现波的无衍射传播。人工结构亚波长的特性也为SSAW器件的小型化提供了可能，有望在芯片领域实现更多复杂信号传输的应用。
发明内容
发明目的：本发明提供一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，能实现信号的空间复用，同时实现了弯曲的传输路径、超高空间信息密度和对介质不均匀性的鲁棒性三点要求。
技术方案：本发明所述的一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，具体包括以下步骤：
(1)搭建基于超表面的类声表面波传输装置；所述表面波传输装置由周期开孔的亥姆霍兹谐振腔组成；
(2)基于类声表面波传输装置的结构，得到对应的色散关系，确定等效传播波矢；
(3)基于等效传播波矢，确定传播路径：
(4)基于等效传播波矢，确定声道的空间间距以及发射面和接受面的位置；
(5)搭建声发射面，确定声发射面的振幅和相位分布；
(6)通过接收面测量空间复用的非周期声信号。
进一步地，所述亥姆霍兹谐振腔的尺寸为：谐振腔单元结构边长为2cm，高度为0.55cm；内腔底面为正方形，边长为1.8cm，深度为0.35cm；壁厚统一为0.1cm。
进一步地，步骤(2)所述色散关系为：
其中，kx是传播波数，ω是角频率，f是工作频率，CHR和MHR是亥姆霍兹谐振腔的声容和声质量，分别描述系统具有弹性性质和惯性量度。
进一步地，步骤(3)所述的传输路径满足关系：
其中，k为等效传播波矢,满足关系
c为声速；b为横向放大率，表征垂直于传播路径的截面上声强分布的压缩和展宽程度。
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
基于Airy-Talbot效应，即通过两个艾里声束的干涉叠加，声源的声强可以沿弯曲轨迹在一定距离内不断自成像，在均匀且各向同性介质中，艾里声束表示为：
其中，cn是任意系数,Ai是Airy函数，x和y是直角坐标系中的正交单位向量，i是虚数单位；类比Talbot以周期间隔叠加Airy声束，声场表示为：
其中，Δ是垂直于传播路径上不同Airy声束间的空间间隔；当传输横向距离等于
时,声信号得以恢复；基于Airy-Talbot效应的声通信，非周期性信号沿着弯曲路径y＝x2传输，在
位置处实现信号的恢复，发射面的位置为x＝0，
即为接收面的位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明能够在开放表面的超薄结构上实现沿弯曲路径的超高容量非周期信息的无衍射空间复用；本发明基于在介质表面激发的满足Airy-Talbot强度分布的倏逝波模式产生，它同时实现了弯曲的传输路径、超高空间信息密度和对介质不均匀性的鲁棒性这三点要求；与其他二维体系下通过调制背景介质的等效折射率来实现无衍射传输的工作不同，本发明通过单独调制源的强度以实现信号的空间复用，因此具有更大的灵活性；并且信号能够沿着弯曲路径进行传播，克服了以往工作中只能沿直线路径传输信号的局限性；结合人工超结构亚波长尺度的特性，对于声表面器件和光芯片上的相关通信工作均可使用本发明进行设计并实现信号的稳定空间复用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为亥姆霍兹谐振腔结构示意图；
图3为Airy-talbot效应的原理示意图；其中，(a)为单独一个艾里束的空间声场分布图；(b)为两个横向间距为0.45m的艾里束的空间叠加声场分布图；(c)为图3(b)中对应虚线位置(自成像面)的声场分布图；
图4为分别在空气中和类表面波器件上进行声通信时声源尺寸的对比图；
图5为实验体系的实拍图；
图6为实验验证两种序列(1,0)和(1,1)的数字编码和空间复用过程；其中，(a)为序列(1,0)传输过程的仿真图、传输过程的测量对比图、矩形特征区域及在三个特定平面(x＝0.05m、x＝0.25m、x＝0.65m)的归一化声压分布图；其中，(b)为序列(1,1)传输过程的仿真图、传输过程的测量对比图、矩形特征区域及在三个特定平面(x＝0.05m、x＝0.25m、x＝0.65m)的归一化声压分布图；
图7为基于无衍射声束特性体现本发明声通信方法的抗干扰能力；其中，(a)和(b)分别为基于等效介质方法和具体结构验证自愈现象的理论仿真图；(c)为存在障碍物时在自成像面声场分布的理论仿真和实验测量的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，如图1所示为本发明实现二维波动体系内非周期声信号空间复用的原理示意图。其中声源处利用扬声器线阵列发射满足Airy-talbot效应分布的加速波包，通过精确调制每个通道的振幅和相位，非周期声信号被编码入艾里声束并进行传输。而后，由亥姆霍兹谐振腔构成的超表面将入射波转换为类表面波，实现更高空间密度的声通信。由于声波的干涉，信号会在自成像平面恢复源处的声强分布。麦克风被放置在接收平面用于接收由声源传递而来的非周期声类表面波信号。具体包括以下步骤：
步骤1：搭建基于超表面的类声表面波传输装置。
表面波传输装置由周期开孔的亥姆霍兹谐振腔组成，如图2所示，尺寸为：谐振腔晶格常数为2cm，高度为0.55cm；内腔底面为正方形，边长为1.8cm，深度为0.35cm；壁厚统一为0.1cm。该尺寸设置在满足3D打印精度的情况下保证体积最小；在高度方面尽可能的薄，突出其亚波长器件的特征；且保证粘滞对声传输的影响不大。
步骤2：基于类声表面波传输装置的结构参数，得到对应的色散关系，确定等效传播波矢。
不考虑空气中的粘滞损耗，结构的色散关系为:
其中，kx是传播波数，ω是角频率，f是工作频率，CHR和MHR是亥姆霍兹谐振腔的声容和声质量，分别描述系统具有弹性性质和惯性量度。从上式可以看出，等效传播波矢kx取决于结构的几何参数。本发明中选取的工作频率为3170Hz,即等效波矢为78.5m-1，远大于空气中的等效波矢58.1m-1，说明利用该类表面波器件进行声通信，等效波矢更小，能够进一步突破衍射极限，实现更高信息密度的声传输。
步骤3：基于等效传播波矢，确定传播路径。
由于Airy声束具有自加速的性质，所以本发明提出的空间复用方法允许声信号沿着弯曲路径传输。由理论计算得到传输路径满足关系
其中k为等效传播波矢,由步骤2计算得到k＝78.5m-1。b为横向放大率，本发明中取b＝15。
步骤4：基于等效传播波矢，确定声道的空间间距以及发射面和接受面的位置。
基于Airy-Talbot效应，即通过两个艾里声束的干涉叠加，声源的声强可以沿弯曲轨迹在一定距离内不断自成像。在均匀且各向同性介质中，艾里声束可以表示为：
其中，cn是任意系数,Ai是Airy函数，x和y是直角坐标系中的正交单位向量，i是虚数单位。此外，类比Talbot效应以周期间隔叠加艾里声束，声场可以表示为：
其中，Δ是不同艾里声束之间的空间间隔。由上式可知，当传输横向距离等于
时,声信号得以恢复。基于Airy-Talbot效应的声通信，非周期性信号沿着弯曲路径y＝x2传输，在
位置处实现信号的恢复，发射面的位置为x＝0，
即为接收面的位置。当传输距离为
时，将出现自成像现象，声场分布和源处一致。其中
为等效横向周期间距。本发明中选取声道的空间间距Δx为0.45m，即得到自成像距离为0.65m。以此确定x＝0m为发射面，x＝0.65m为接受面。
步骤5：搭建声发射面，确定声发射面的振幅和相位分布。
声发射面由26个1英寸的扬声器组成线阵列发射声信号，声源长度为112cm，高度为5cm，厚度为0.8cm。根据实验发射信号的需要(以序列10和11的空间复用为例)，每个通道需要满足对应的离散振幅和相位。振幅被离散为0、0.2、0.4、0.6、0.8Pa，同时相位离散为0和π，共10种搭配。在此基础之上，本发明利用单片机将信号准确地发送到每个扬声器单元，实现声源处的准确调制。通过确定发射面的振幅和相位把两种信号序列(1，1)和(1，0)编入传输声束中。
步骤6：在接收面测量空间复用的非周期声信号。
接受面声场的扫描通过使用一个1/4英寸的麦克风(
型)逐点测量完成。通过对比接受面和发射面的声场分布，验证本发明提出的空间复用方法的可靠性。基于airy-talbot效应，声信号每传递一个周期长度会恢复原先的声强分布。经过实验的验证，在接受面能够接收到和声发射位置一致的声强分布。
本发明还考虑到传输介质不均匀对声通信的影响。Airy波束具有独特的自愈特性，能够在远距离传输后保持其形状，保证信号的完整性，而不受障碍物的影响。为探讨一定尺寸的物体对这种声通信的影响，在坐标位置(x＝0.1m，y＝0.6m)处放置半径为0.08m的圆柱体，阻断Airy声束的主瓣。通过接收面与发射面上声压分布的对比，我们可以得出结论，在有障碍物的情况下，这种非周期声信号的空间复用传输方法仍是有效的。
图3为Airy-talbot效应的原理示意图。图3(a)为单独一个艾里束的空间声场分布。图3(b)为两个横向间距为0.45m的艾里束的空间叠加声场分布。图3(c)为图3(b)中对应虚线位置(自成像面)的声场分布。由图3可知，自成像位置处的声强由于波的干涉会满足和声源一样的分布，这是本发明的理论基础。从上述公式中可以观察到的另一个重要特征，即Airy-Talbot效应不要求信号具有周期性，这大大放宽了传输信号的限制。
图4为分别在空气中和类表面波器件上进行声通信时声源尺寸的对比图。对比图中的两条曲线可以得出结论，利用这种类表面波器件能够进一步压缩声源的尺寸，同时间接证明了该器件可以传输更高信息密度的信号，突破了以往声通信工作中存在的衍射极限限制。
图5为实验体系的实拍图。其中类表面波器件通过3D打印搭建，固体材料选择为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，密度为1180kg/m3，声速为2700m/s。器件周围填充有吸声材料以完美吸收散射声波。整个声场的扫描是通过使用一个1/4英寸的麦克风(
型)逐点测量完成的。声源处由26个1英寸的扬声器组成线阵列以完美模拟入射声波。根据实验发射信号的需要(探究序列10和11的空间复用)，每个通道需要满足对应的离散振幅和相位。振幅被离散为0、0.2、0.4、0.6、0.8Pa同时相位离散为0和π，共10种搭配。在此基础之上，本发明利用单片机将信号准确地发送到每个扬声器单元，实现声源处的准确调制。
图6(a)和(b)分别以序列(1，1)和(0，1)为例，分别展示实验中不同信源序列的数字编码和空间复用过程。本发明通过实验测量了类表面波器件上方矩形区域内的绝对声压分布，实验结果与模拟结果吻合较好。
为了定量研究信号空间复用的效果，本发明沿着三个特定平面x＝0.05m、x＝0.25m和自成像平面x＝0.65m进一步测量了归一化绝对声压。其中平滑曲线代表理论仿真值，点划线代表实验测量值。如图6所示，在三个平面上测得的声强分布与模拟结果较为吻合。对于序列(1，1)，在测量线上准确地测量了两个均大于0.5的峰值。对于信号(0，1)，在y＝0.5m处接收到约0.6Pa的声压幅度峰值，而在y＝0m处几乎没有测量到声压信号。特别的，自成像平面上的强度分布与声源处的强度分布相似，这进一步证实了本发明提出的方法能够在接收平面上准确接收不同的非周期信号序列。
基于无衍射声束的特性，本发明能够提高声通信的抗干扰能力。具体的操作方法是在声通信的路径上(x＝0.1m，y＝0.6m)处放置半径为0.08m的圆柱体，以(1，1)序列为例进行传输，障碍物的位置正好会阻断其中一个艾里束的主瓣。通过图7(c)中实验和理论结果的对比可以发现，无论障碍物有无，在观测线上仍然可以清晰地观察到两个主峰。平滑曲线代表理论仿真值，点划线代表实验测量值。在图7(a)和(b)中，仿真结果图具体给出了信号传输的演化过程，艾里束的主瓣局部被圆形障碍物遮挡，通过障碍物后又恢复。随着传播距离的增加，收敛速度减慢，直至消失，主瓣再生，信号得到恢复。
Claims (5)
1.一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建基于超表面的类声表面波传输装置；所述表面波传输装置由周期开孔的亥姆霍兹谐振腔组成；
(2)基于类声表面波传输装置的结构参数，得到对应的色散关系，确定等效传播波矢；
(3)基于等效传播波矢，确定传播路径：
(4)基于等效传播波矢，确定声道的空间间距以及发射面和接受面的位置；
(5)搭建声发射面，确定声发射面的振幅和相位分布；
(6)通过接收面测量空间复用的非周期声信号。
2.根据权利要求1所述的二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，其特征在于，所述亥姆霍兹谐振腔的尺寸为：谐振腔单元结构边长为2cm，高度为0.55cm；内腔底面为正方形，边长为1.8cm，深度为0.35cm；壁厚统一为0.1cm。
3.根据权利要求1所述的二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，其特征在于，步骤(2)所述色散关系为：
其中，kx是传播波数，ω是角频率，f是工作频率，CHR和MHR是亥姆霍兹谐振腔的声容和声质量，分别描述系统具有弹性性质和惯性量度。
4.根据权利要求1所述的二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，其特征在于，步骤(3)所述的传输路径满足关系：
其中，k为等效传播波矢,满足关系
c为声速；b为横向放大率，表征垂直于传播路径的截面上声强分布的压缩和展宽程度。
5.根据权利要求1所述的二维波动体系内非周期声信号的空间复用方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：
基于Airy-Talbot效应，即通过两个Airy声束的干涉叠加，声源的声强可以沿弯曲轨迹在一定距离内不断自成像，在均匀且各向同性介质中，艾里声束表示为：
其中，cn是任意系数,Ai是Airy函数，x和y是直角坐标系中的正交单位向量，i是虚数单位；类比Talbot以周期间隔叠加艾里声束，声场表示为：
其中，Δ是垂直于传播路径上不同艾里声束间的空间间隔；当传输横向距离等于
时,声信号得以恢复；基于Airy-Talbot效应的声通信，非周期性信号沿着弯曲路径y＝x2传输，在
位置处实现信号的恢复，发射面的位置为x＝0，
即为接收面的位置。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 陈珏光: "声学超材料操控声波的反射传播", 《南京大学硕士研究生毕业论文》 * |
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| CN113765595B (zh) | 2022-08-19 |
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