CN114267320B - 一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 - Google Patents
一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114267320B CN114267320B CN202111631579.8A CN202111631579A CN114267320B CN 114267320 B CN114267320 B CN 114267320B CN 202111631579 A CN202111631579 A CN 202111631579A CN 114267320 B CN114267320 B CN 114267320B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rectangular plates
- sound source
- sub
- refractive index
- coupling structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims description 21
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 5
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 5
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 abstract 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 230000010255 response to auditory stimulus Effects 0.000 description 2
- 241000270322 Lepidosauria Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，梯度折射率结构包括多块第一矩形板，中心均位于同一直线上，空间卷曲结构包括多块第二矩形板，底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块第二矩形板交错布置在两相邻的第一矩形板上，形成锯齿形通道，梯度折射率结构以及空间卷曲结构围成空腔。当声波传播到耦合结构中时，由于折射率的增加，传播的声波首先会被压缩进而增强，传播的声波被迫在锯齿形通道中传播，显著增加了声波的传播时间和传播距离，因此会形成低声速和高折射率，从而降低工作频率，其次共振腔中捕获和放大的声波被多次反射，可以进一步增强声波，实现声源定位。
Description
技术领域
本发明涉及声源定位技术领域，特别涉及一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构。
背景技术
声源定位技术在结构健康监测、管道泄漏检测、水下声通讯等领域起着至关重要的作用。传统的声源定位方法利用传感器阵列拾取多通道信号并结合相应的阵列信号处理算法对声源进行识别和定位。然而，该方法的准确性受传感器数量和数据同步采集准确性的限制。为克服这些限制，国内外学者通过模仿苍蝇、蜥蜴等小型生物的听觉系统，对单传感器系统进行了大量研究并取得丰富成果。尽管如此，由于工作波长和体积大小之间的相互制约，单传感器系统无法形成紧凑的亚波长系统，极大的限制了其在工程领域的应用。更为重要的是，对于淹没在强背景噪声中的声音信号，无论是基于传感器阵列方法还是单传感器系统都无法对该声源进行检测乃至定位。对待检测声信号进行预放大可有效的消除背景噪声的干扰。如何实现声信号的预放大并实现亚波长声源定位，仍需深入研究。
近年来，声学超材料由于其独特的波操控性质受到了广泛关注。这些独特的性质为基于超材料声源定位技术的发展提供了广阔的前景。例如，具有各向异性声学响应的随机编码声学超材料和指向性声学超材料能够克服传感器数量的限制。再如，共振型声学超材料和高折射率型声学超材料可利用共振腔或高折射率区域捕获入射声波，实现待检声波的预放大。此外，局域共振型声学超材料和空间卷曲型声学超材料能够操控波长远大于其自身几何参数的声波，这使得声学超材料能够在亚波长尺度下工作。然而，在实际应用中，声源定位通常要求声学超材料在亚波长尺度同时具有良好的声压放大性能和灵敏的方向响应。目前大多数设计的声学超材料都只专注于单独实现某一种功能，不能满足声源定位的要求，尤其是对于一些微弱信号的定位更是难以实现。而利用两种或两种以上声学超材料结构进行耦合是解决这一问题的有效方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种利用梯度折射率结构和空间卷曲结构耦合而成的新型结构，能够在亚波长尺度下实现声源定位。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，所述梯度折射率结构包括多块第一矩形板，所述第一矩形板的中心均位于同一直线上，所述空间卷曲结构包括多块第二矩形板，所述第二矩形板的底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块所述第二矩形板交错布置在两相邻的所述第一矩形板上，形成锯齿形通道，所述梯度折射率结构的相邻两块第一矩形板以及空间卷曲结构的位于相邻两块第一矩形板之间的第二矩形板围成空腔。
进一步地，各块所述第一矩形板的长度相等、厚度相等、宽度依次增加。
进一步地，各块所述第二矩形板的尺寸相同。
进一步地，所述第二矩形板与对应的所述第一矩形板垂直连接。
进一步地，所述空腔的宽度D＝12mm。
进一步地，所述第一矩形板的长度L1＝100mm，厚度t＝8mm，宽度递增规律满足wn＝w1+(n-1)×s，其中初始宽度w1＝22mm，wn为第n块第一矩形板的宽度，步长s＝2mm。
进一步地，所述第一矩形板的数量为30，即n的最大值为30。
进一步地，所述第二矩形板的长度L2＝100mm，宽度a＝7mm，厚度b＝2mm，相邻两块所述第二矩形板之间的距离c＝2mm。
进一步地，所述梯度折射率结构和所述空间卷曲结构的原材料均为光敏树脂，通过3D打印一体成型，其密度ρ＝1130kg/m3，弹性模量E＝2.65×103MPa，剪切模量G＝2.22×103MPa。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，具有很好的声增强性能，有助于检测一些微弱声信号；
本发明提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，能操控波长远大于其自身几何参数的声波，能在亚波长尺度下工作；
本发明提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，对声音具有显著的方向响应，可用于声源定位；
本发明提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构采用光敏树脂，通过3D打印成型，结构简单，制造方便，生产成本低，便于推广应用；
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明的整体结构三维示意图；
图2为本发明的整体结构俯视图；
图3为本发明的单元结构示意图；
图4为本发明的压力比频率响应；
图5为本发明的压力场分布；
图6为本发明方向响应的模拟及实验示意图；
图7为本发明方向响应的归一化声压图；
图8为本发明声源定位的实验原理图。
【附图标记说明】
1-第一矩形板；2-第二矩形板；3-空腔。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，其中，梯度折射率结构由多块长度相等、厚度相等、宽度依次增加的第一矩形板1组成，各块第一矩形板1的中心均位于同一直线上。空间卷曲结构由多块尺寸相同的第二矩形板2组成，第二矩形板2的底部或顶部均在同一水平面上，第二矩形板2与对应的第一矩形板1垂直连接，且相邻两块第二矩形板2交错布置在两相邻的第一矩形板1上，形成锯齿形通道。耦合结构还包括由梯度折射率结构和空间卷曲结构围成的多个空腔3，每个空腔3由梯度折射率结构的相邻两块第一矩形板1以及空间卷曲结构的位于相邻两块第一矩形板1之间的第二矩形板2围成。因此，这种耦合结构也可以看作是一个由中心的空腔3和两侧的两个空间卷曲结构组成的、宽度不断增加的单元阵列。
当声波传播到耦合结构中时，由于折射率的增加，传播的声波首先会被压缩进而增强，传播的声波被迫在由薄固体壁(即空间卷曲结构)形成的锯齿形通道中传播，这显著增加了声波的传播时间和传播距离，因此会形成低声速和高折射率，从而降低工作频率。其次，共振腔中捕获和放大的声波被多次反射，从而可以进一步增强声波。
作为优选的实施方式，本实施例中空腔3的宽度D＝12mm，梯度折射率结构中第一矩形板1长度L1＝100mm，厚度t＝8mm，宽度递增规律满足wn＝w1+(n-1)×s，其中初始宽度w1＝22mm，wn为第n块第一矩形板1的宽度，步长s＝2mm，且本实施例中梯度折射率结构中的第一矩形板1的数量优选为30，即n的最大值为30，另外相邻两块第一矩形板1的间距g＝10mm。
空间卷曲结构中，第二矩形板2的长度L2＝100mm，宽度a＝7mm，厚度b＝2mm。相邻两块第二矩形板2交错布置在两相邻梯度折射率结构中的第一矩形板1上，相邻两块第二矩形板2之间的距离c＝2mm。
采用上述优选尺寸时，能够确保梯度折射率结构的宽度方向上布置有充足的空间卷曲结构。
在本实施例中，梯度折射率结构和空间卷曲结构的原材料均优选为光敏树脂，通过3D打印一体成型，其密度ρ＝1130kg/m3，弹性模量E＝2.65×103MPa，剪切模量G＝2.22×103MPa。
同时如图4、图5所示，在距离第一块第一矩形板1(宽度w1＝22mm的第一矩形板1)436mm的空腔中心P处测得的峰值频率和最大压力比，其中的压力比是相应结构增强区域内的压力与自由空间内的压力之比。该耦合结构的最大压力比为147.1，最大压力比频率为894Hz。由此可见，该耦合结构能在亚波长尺度下工作，其声增强性能也很好。
图6是该耦合结构方向响应的模拟及实验示意图，图7是该耦合结构方向响应的归一化声压图，其中模拟结构结果用点表示，实验结果用星表示，声压增益经过了归一化处理。在模拟中，声源是固定的，耦合结构每次旋转1°。在实验中，将扬声器作为平面波声源放置在耦合结构的前面并保持不动，耦合结构每次旋转5°，旋转中心和声压采集位置都是P点。由此可见，耦合结构有显著的方向响应特性，可用于声源定位。
图8是耦合结构声源定位的实验原理图，将模拟中的平面波声源替换为扬声器，扬声器固定在距耦合结构P位置1.4m处。扬声器周围的抛物面反射器将产生近似平面波。实验是在完全自由空间中进行的，以减少来自环境的反射干扰。首先，将耦合结构向下移动0.2m，以测量从-90°到90°的方向响应，每次绕P点旋转5°。随后，将耦合结构向上移动0.4m，同样测量-90°到90°的方向响应。模拟结果(用点表示)和实验结果(用星表示)同时显示在图7中。数值计算和实验结果均进一步论证了，利用耦合结构的高指向性可以实现声源定位。
综上所述，本实施例提供的耦合结构具有很好的声增强性能，有助于检测一些微弱声信号；能操控波长远大于其自身几何参数的声波，能在亚波长尺度下工作；对声音具有显著的方向响应，可用于声源定位；采用光敏树脂，通过3D打印成型，结构简单，制造方便，生产成本低。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，所述梯度折射率结构包括多块第一矩形板，所述第一矩形板的中心均位于同一直线上，所述空间卷曲结构包括多块第二矩形板，所述第二矩形板的底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块所述第二矩形板交错布置在两相邻的所述第一矩形板上，形成锯齿形通道，所述梯度折射率结构的相邻两块第一矩形板以及空间卷曲结构的位于相邻两块第一矩形板之间的第二矩形板围成空腔；
各块所述第一矩形板的长度相等、厚度相等、宽度依次增加；
各块所述第二矩形板的尺寸相同；
所述第二矩形板与对应的所述第一矩形板垂直连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述空腔的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述第一矩形板的长度，厚度/>，宽度递增规律满足/>，其中初始宽度/>，/>为第n块第一矩形板的宽度，步长/>。
4.根据权利要求3所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述第一矩形板的数量为30，即n的最大值为30。
5.根据权利要求3所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，相邻两块所述第一矩形板的间距。
6.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述第二矩形板的长度，宽度/>，厚度/>，相邻两块所述第二矩形板之间的距离/>。
7.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述梯度折射率结构和所述空间卷曲结构的原材料均为光敏树脂，通过3D打印一体成型，其密度，弹性模量/>，剪切模量/>。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111631579.8A CN114267320B (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111631579.8A CN114267320B (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114267320A CN114267320A (zh) | 2022-04-01 |
| CN114267320B true CN114267320B (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=80831138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111631579.8A Active CN114267320B (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114267320B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116223624B (zh) * | 2023-03-15 | 2024-07-23 | 南京航空航天大学 | 一种基于数值声学超材料的复合材料微弱缺陷检测方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106228971B (zh) * | 2016-07-25 | 2019-07-12 | 东南大学 | 基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法 |
| CN110880311B (zh) * | 2018-09-05 | 2023-08-15 | 湖南大学 | 一种水下亚波长空间盘绕型声学超材料 |
| GB201905258D0 (en) * | 2019-04-12 | 2019-05-29 | Univ Of Sussex | acoustic metamaterial systems |
-
2021
- 2021-12-28 CN CN202111631579.8A patent/CN114267320B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114267320A (zh) | 2022-04-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fan et al. | Reconfigurable curved metasurface for acoustic cloaking and illusion | |
| Zhang et al. | Directional acoustic antennas based on valley‐hall topological insulators | |
| Li et al. | Metascreen-based acoustic passive phased array | |
| CN103329567B (zh) | 用于推导方向性信息的装置、方法和系统 | |
| EP2992687B1 (en) | Microphone array for acoustic source separation | |
| Esfahlani et al. | Exploiting the leaky-wave properties of transmission-line metamaterials for single-microphone direction finding | |
| CN114267320B (zh) | 一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构 | |
| CN101106835A (zh) | 阵列式声频定向超声波扬声器 | |
| US12035103B2 (en) | Speaker apparatus | |
| CN103094701B (zh) | 一种平板透镜及具有该透镜的透镜天线 | |
| CN103945302B (zh) | 有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法 | |
| CN104751840A (zh) | 一种能够使超宽带声波聚焦的声学材料 | |
| CN103913787A (zh) | 一种声学超透镜的镜结构体和声学超透镜及其成像装置 | |
| CN102480048A (zh) | 基站天线 | |
| WO2013029326A1 (zh) | 基站天线 | |
| CN114061733B (zh) | 一种梯度反射声栅传感结构 | |
| CN216132993U (zh) | 一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统 | |
| CN101111096A (zh) | 组合式声频定向超声波扬声器系统 | |
| EP2738872B1 (en) | Front feed satellite television antenna and satellite television receiver system thereof | |
| CN106454648A (zh) | 一种声波导 | |
| CN117319881A (zh) | 一种参量阵扬声器及声场移动系统 | |
| Shaw | Diffuse field response, receiver impedance, and the acoustical reciprocity principle | |
| WO2013029327A1 (zh) | 基站天线 | |
| Zhang et al. | Sound reproduction with a circular loudspeaker array using differential beamforming method | |
| CN108417127B (zh) | 一种声学超颖表面实验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |