CN114446277A - 一种全向宽带声聚能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全向宽带声聚能装置，该装置由一个多面反射腔壁，多面反射腔壁上开设有若干侧面开孔和若干顶角开孔，以及一个由反射腔壁围成的反射腔组成，声波从这些开孔进入反射腔内实现聚能。本发明可以对各个方向入射的声波实现聚能，且其工作频带是宽频的。本发明声聚能装置利用了半封闭空间结构腔壁的非共振多重反射特性，可以通过几何反射增强的方式获得较宽的工作带宽。由于装置的工作频带依赖于结构的几何尺寸，可以直接通过结构的等比例缩放，实现工作频带的灵活调节。本发明声聚能装置边长仅为对应工作波长的0.8到1.47倍，结构尺寸紧凑。本发明声聚能装置可广泛应用于声能量回收、微弱声信号检测、水下目标探测等众多民用和国防领域。
Description
技术领域
本发明属于声学器件领域，具体涉及一种全向宽带声聚能装置。
背景技术
准确探测水下地形信息，以及尽可能高精度的获取水下目标的位置、形状等细节信息，具有重要的意义。由于电磁波无法在水中远距离传播，所以声波是水下探测和通讯等应用中的核心媒质。基于声波的水下探测设备，一直是水下目标探测的主流装备。声学聚能装置可以将声能聚集到特定区域，实现声能量幅值的大幅提升，广泛应用于声能量回收、微弱声信号检测、水下目标探测等领域。声聚能可以通过声源阵列或各种声聚焦透镜实现，声聚焦透镜除了包括传统的具有厚度渐变的声学凹/凸透镜和菲涅尔透镜外，还包括各类基于声子晶体、声学超材料和声学超表面的声学超透镜。
声聚能器的工作原理是通过功能结构的设计，将声波引导至特定区域，实现将较大区域的声波压缩至较小区域，进而实现声能增强。大多数声聚能器都是通过变换声学的方法设计的，但也有少量工作中采用了沿径向具有梯度参数的结构或各向异性声学超材料结构。从工作介质来分，目前的声聚能器既有在空气中工作的，也有在水中工作的。从结构形式来看，大多数是二维的，但也有少量结构可以实现三维全向声聚能。水声聚能器方面，只有美国海军实验室的Naify等人的工作中加工了样品并进行了实验验证，其它工作中并未进行试验验证。总体而言，一方面，通过变换方法设计的声学聚能器的尺寸一般也会达到波长的数倍，结构依然不够紧凑；另一方面，目前还没有水声三维全向声聚能器的实验报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全向宽带声聚能装置，可以对从开孔入射的声波进行多重反射和共振增强，获得较高的声能增益。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种全向宽带声聚能装置，包括一个多面反射腔壁，多面反射腔壁上开设的若干侧面开孔和若干顶角开孔，以及一个由多面反射腔壁围成的反射腔，声波从这些开孔进入反射腔内实现聚能。
本发明进一步的改进在于，该装置能够在以空气为代表的气体介质中实现聚能，或者在以水为代表的液体介质中实现聚能，在不同介质中工作时反射腔内填充相应的工作介质。
本发明进一步的改进在于，多面反射腔壁由设定厚度的多面体壁面构成。
本发明进一步的改进在于，多面反射腔壁的材料的阻抗至少比反射腔内的填充介质的阻抗高5倍。
本发明进一步的改进在于，该装置对各个方向入射的声波实现聚能，且其工作频带是宽频的。
本发明进一步的改进在于，反射腔是单层的，或者是逐层嵌套在一起的。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明声聚能装置既可以在空气等气体介质中实现聚能，也可以在水等液体介质中实现聚能，具有广泛的应用前景；
2、本发明声聚能装置利用了半封闭空间结构腔壁的非共振多重反射特性，可以通过几何反射增强的方式获得较宽的工作带宽；
3、本发明声聚能装置中声波可以从各个方向进入反射腔体中，可以实现全向声聚能；
4、本发明声聚能装置的工作频带依赖于结构的几何尺寸，可以直接通过结构的等比例缩放，实现工作频带的灵活调节；
5、本发明声聚能装置可以同时对进入反射腔体中的声波进行多重反射和局域共振双重增强，获得较高的声能增益，本实施案例中水声聚能效果比没有布置该装置时提高了4倍以上；
6、本发明声聚能装置边长仅为对应工作波长的0.8到1.47倍，结构尺寸紧凑。
综上所述，根据本发明声聚能装置的上述特点，本发明不但可以实现全向声聚能，还能实现宽带声聚能。除了可以在以空气为代表的气体介质中实现声聚能，还能在以水为代表的液体介质中实现声聚能。可广泛应用于声能量回收、微弱声信号检测、水下目标探测等众多民用和国防领域。
附图说明
图1和图2分别为本发明一种全向宽带声聚能装置的结构示意图。
图3a为声聚能器的有限元仿真模型；图3b为不带聚能器的对照组在9000Hz 和12000Hz处的声场分布；图3c为带聚能器的模型在8000Hz、9000Hz、12000Hz 和14000Hz处的声场分布；图3d为两组模型在监测点处的声压幅值随频率的变化关系。
图4为不同测试位置与声源的位置关系示意图。
图5a为在不布置和布置声学聚能器时测点1处的声信号对比；图5b为在不布置和布置声学聚能器时测点2处的声信号对比；图5c为在不布置和布置声学聚能器时测点3处的声信号对比。
具体实施方式
下面结合附图中本发明实施案例的相关计算结果，对本发明实施案例中的技术方案进行说明。显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例，而非全部实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施案例，都属于本发明保护的范围。
作为实施案例，这里选择水作为工作介质。作为实施案例的水声聚能器结构如附图1和图2所示，可以看出，该结构是通过一个空心立方体结构的8个角各开一个截面近似成三角形的孔，6个面各开一个圆孔得到的。空心立方体的内边长为b，侧面开孔的直径为d，结构的厚度为t。在实际工作过程中，声波从各角和各面的开孔进入腔体内，在内部获得增强的声场分布，即实现声能聚集。由于每个角落和每个面都布置有开孔，所以所有方向的声波都能进入腔体内部，从而可以实现三维全向声能聚集。此外，这种结构属于一种半封闭的反射腔结构，在一定频带内可以获得共振增强效果。更为重要的是，这种结构扮演着一种牢笼的作用，使得进入腔体内的声波无法顺利逃出腔体，会被腔壁多重反射。这相当于对内部的声场进行了一种几何操控，使得原本应该均匀分布在较大的空间区域内的声能量，被围在腔体内部，实现了一种声学聚能器的效果。由于这种多重反射是通过几何原理操纵的，所以工作带宽较共振操纵的结构要宽得多，从而实现宽带聚能效果。
为了验证设计方法的效果，选择b＝200mm，d＝13mm，t＝5mm，结构的材料为不锈钢，在商业多物理场耦合有限元分析软件Comsol中，建立了三维声固耦合计算模型，如附图3a所示。为了模拟发射换能器的声源尺寸特征，建立了圆柱型区域，设置从上到下的平面波入射，入射声压为P0＝1Pa。声传播区域为一个半径为1m的球形区域，球面边界设置为球面波辐射，以消除边界反射。聚能器位于声场的中心，并在聚能器内部中心处布置探测点，监测声压幅值。为了展示聚能效果，同时建立了没有布置聚能器的计算模型，作为对照组。分别计算了两组模型的声场分布和探测点处声压幅值，对照组在9000Hz和12000Hz 处的声场分布如附图3b所示，带聚能器的一组结构在聚能器周围区域的声场分布如附图3c所示。两组模型中探测点处的声信号幅值如附图3d所示。
从附图3b和3c中的声场分布可以看出，在没有布置聚能器时，声信号的传播会随着传播距离的增加而逐渐衰减；而布置聚能器后，声能量会有效的局域在聚能器内部，实现能量增强。此外，可以看出，在9000Hz和12000Hz处，内部声场的波形与外部有明显的区别，应该是受到共振的调制；而在8000Hz和 14000Hz处，内部声场的波形和外部基本保持一致，只是幅值增加。这表明，这种聚能器会受多重反射和共振共同调制，但主要以基于几何特征的多重反射调制为主。因此，不但可以获得较宽的工作频带，而且波形不会严重失真。此外，通过对比图3d中的两组声压信号可以看出，增加声聚能器后，在6000Hz以上的宽带内都有明显的声能增强效果，表现出良好的宽带聚能效果。
为了验证设计方案的有效性，采用不锈钢板，通过切削、打孔、弯折和焊接等传统的机械加工方式，制作了声学聚能器样品。其中，在顶端面的开孔处，为了布置水听器，设计了一个可以定位水听器位置的辅助装置，通过3D打印进行了制备。将水听器安装好后，通过绳索将聚能器悬挂在一个升降台上。采用宽频水声发射换能器作为声源，将换能器和聚能器布置在消声水池中离水面和底面均为约2.5m的深度处。分为两种工况进行测量，第一种工况测量参考信号，不布置聚能器；第二组工况测量布置聚能器后的声信号。
为了验证这种水声聚能器的全向声能增强效果，选择3个典型的测点，与声源形成0°、30°和45°三个夹角。如附图4所示，测点1与声源位于同一深度，夹角为0°，与声源的距离为D1＝1m；测点2的深度比声源小H1＝0.5m，与声源形成30°夹角；测点3的深度比声源的小2H1＝1m，与声源形成45°夹角。由于这种水声聚能器结构具有对称性，所以这三个方位角可代表整个三维空间中的典型位置。在三个测点位置处布置和不布置水声聚能器时的声信号对比如附图 5a～c所示。从图中可以看出，测点1处，在约6.1kHz到10.2kHz的宽带内，声压幅值平均提高为原来的1.8倍左右，而在约12.3kHz到14kHz的宽带内，声压幅值平均提高为原来的1.6倍左右，表现出良好的宽带声能增强效果。测点2处，在约6.3kHz到10.6kHz的宽带内，声压幅值提高为原来的1.6倍左右，且在约 12.6kHz到14kHz的频带内也有一定程度的提高。测点3处，在约6.4kHz到 10.8kHz的宽带内，声压幅值平均提高为原来的1.4倍左右，且在约12.5kHz到 13.5kHz的频带内也有一定程度的提高。这表明，虽然随着角度和距离的改变，声能增强效果会出现一定的变化，且在12kHz以上频带的增强效果会随着角度的变化而发生大幅变化。但总体上在约6kHz到11kHz的频带内，始终具有良好的增强效果。这足以说明，本发明提出的三维水声聚能器，具有宽带全向声能增强效果。另外，从聚能器边长和工作频率对应波长的关系来看，聚能器边长为对应波长的0.8到1.47倍，和波长相当。所以，进一步说明，这种水声聚能器的工作原理是以基于几何结构特征的多重反射为主导的，而不是共振主导的。
根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：
1、本发明声聚能装置既可以在空气等气体介质中实现聚能，也可以在水等液体介质中实现聚能，具有广泛的应用前景；
2、本发明声聚能装置利用了半封闭空间结构腔壁的非共振多重反射特性，可以通过几何反射增强的方式获得较宽的工作带宽；
3、本发明声聚能装置中声波可以从各个方向进入反射腔体中，可以实现全向声聚能；
4、本发明声聚能装置的工作频带依赖于结构的几何尺寸，可以直接通过结构的等比例缩放，实现工作频带的灵活调节；
5、本发明声聚能装置可以同时对进入反射腔体中的声波进行多重反射和局域共振双重增强，获得较高的声能增益，本实施案例中水声聚能效果比没有布置该装置时提高了4倍以上；
6、本发明声聚能装置边长仅为对应工作波长的0.8到1.47倍，结构尺寸紧凑。
综上所述，根据本发明声聚能装置的上述特点，本发明不但可以实现全向声聚能，还能实现宽带声聚能。除了可以在以空气为代表的气体介质中实现声聚能，还能在以水为代表的液体介质中实现声聚能。可广泛应用于声能量回收、微弱声信号检测、水下目标探测等众多民用和国防领域。
Claims (6)
1.一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，包括一个多面反射腔壁(1)，多面反射腔壁(1)上开设的若干侧面开孔(2)和若干顶角开孔(3)，以及一个由多面反射腔壁(1)围成的反射腔(4)，声波从这些开孔进入反射腔(4)内实现聚能。
2.根据权利要求1所述的一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，该装置能够在以空气为代表的气体介质中实现聚能，或者在以水为代表的液体介质中实现聚能，在不同介质中工作时反射腔(4)内填充相应的工作介质。
3.根据权利要求1所述的一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，多面反射腔壁(1)由设定厚度的多面体壁面构成。
4.根据权利要求1所述的一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，多面反射腔壁(1)的材料的阻抗至少比反射腔(4)内的填充介质的阻抗高5倍。
5.根据权利要求1所述的一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，该装置对各个方向入射的声波实现聚能，且其工作频带是宽频的。
6.根据权利要求1所述的一种全向宽带声聚能装置，其特征在于，反射腔(4)是单层的，或者是逐层嵌套在一起的。
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