CN114566139B - 一种基于3d打印仿生海豚的声发射装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置及其应用。所述声发射装置，包括声发射部件、声集束部件和声约束部件；所述声发射部件和声集束部件间隔设置在所述声约束部件中，所述声约束部件为声波吸收板，该声波吸收板围成一端封闭，一端开口的形状，其封闭端的角度为锐角；所述声集束部件的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，所述声集束部件用于将声发射部件发出的声波进行折射，从而实现声波的集束；所述声约束部件用于吸收未经过声集束部件的声波。本发明的声发射装置对声波群起到集束作用，其具有高指向性、自动化、低功耗、轻量化等优势。
Description
技术领域
本发明属于3D打印仿生领域，更具体地，涉及一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置及其应用。
背景技术
随着水下资源的开发利用日趋频繁，水下目标可视化探测技术在港口安全巡视、水下工程作业、海洋科学研究等领域均有迫切的应用需求。为满足声呐装备探测距离和探测精度的需求，必须实现可提高水声传感角分辨率和信噪比的高指向性声学换能器。基于此，越来越多的研究转向具有高指向性主动声发射的典型水生生物上面，如海豚、江豚等，以期从生物声呐上获取灵感。
目前，国内的相关研究由于起步较晚，只停留在原理的验证和实验样机的方针模拟上，仿生海豚声呐功能再现制造仍停留在初期探索水平。国外的相关研究主要集中在生物学方面，揭示了海豚声呐高指向性、带宽、高分辨率特性及其原理，揭示了海豚头部的气囊结构、头骨结构，特别是额隆的多级梯度密度结构在声波集束过程中的巨大作用。国外学者通过传统加工制造方法设计和制造仿生海豚声呐系统，但受限于传统工艺的局限性，仿生再现效果较差。因此，适用于声集束装置的新材料与加工方法亟待探寻。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置及其应用，其目的在于通过3D打印技术将水凝胶打印为声集束部件，并由此设计了仿生海豚的高指向性声、自动化、低功耗、轻量化的发射装置，由此解决目前在仿生海豚声发射装置设计上的空白问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置，包括声发射部件、声集束部件和声约束部件；所述声发射部件和声集束部件间隔设置在所述声约束部件中，所述声约束部件为声波吸收板，该声波吸收板围成一端封闭，一端开口的形状，其封闭端的角度为锐角；所述声集束部件的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，所述声集束部件用于将声发射部件发出的声波进行折射，从而实现声波的集束；所述声约束部件用于吸收未经过声集束部件的声波。
优选地，所述声集束部件为利用水凝胶通过3D打印得到的至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体。
优选地，所述声集束部件为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体的密度为0.98g/cm3-1.04g/cm3，第二层圆柱体的密度为0.92g/cm3-0.98g/cm3，第三层圆柱体的密度为0.86g/cm3-0.92g/cm3。
优选地，所述声集束部件为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体的密度为1.0129g/cm3，第二层圆柱体的密度为0.9791g/cm3，第三层圆柱体的密度为0.9180g/cm3。
优选地，所述至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体中每层的厚度相同。
优选地，所述水凝胶的密度小于1，所述水凝胶包括1.5wt％-3.0wt％卡拉胶、25wt％-45wt％异丙醇和余下质量分数的H2O。
优选地，所述声约束部件为泡沫铝板。
优选地，所述声发射部件工作频率为10kHz-50kHz。
优选地，所述声集束部件通过墨水直写成形3D打印梯度密度水凝胶得到，其中，3D打印具体过程为：针头内径0.4～0.6mm，打印速度7.50～12.50mm/s，挤出速度1.00～2.60mm3/s，线间距0.45～0.55mm，层间距0.45～0.55mm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种声发射装置的应用，用于水下目标可视化探测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明提供的声发射装置的工作原理为：声发射部件发射的声波通过声集束部件时，由于的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，声波受梯度材料介质密度的影响发生折射，多次折射起后实现集束作用，而未通过梯度材料的声波被声约束部件吸收，从而实现高指向性的声发射。
同时，本发明中采用了水凝胶材料，其与水的声阻抗相匹配，能极大降低声传递过程中的功耗，同时由梯度水凝胶制成的柔性器件与海豚额隆脂肪及软组织结构相仿，使此仿生过程同时具备仿形、仿结构、仿功能特点。本发明中采用了3D打印技术，可以实现多级、多尺度、多结构、多材料梯度和生物声学超材料等特性，水凝胶生物材料与3D打印技术的结合，为设计基于3D打印仿生海豚的高指向性声发射样机提供了新方法、新思路。
(2)本发明中声集束部件的集束作用是由于梯度密度材料本身所具有的物性作用完成的，无繁琐的机械机构，并且水凝胶材料与水的声阻抗相匹配，极大程度降低了功耗。
(3)本发明中3D打印采用了墨水直写技术，其不仅对诸如水凝胶等生物材料的破坏性极低，还解决了传统工艺难以实现多结构、多材料梯度成形以及成形结合界面性能较差的问题。
(4)本发明采用的水凝胶材料密度小于1，可实现将该声发射装置应用于水下环境中，适用于水下目标可视化探测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于3D打印仿生海豚的声发射装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于3D打印仿生海豚的声发射装置中声集束部件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于3D打印仿生海豚的声发射装置中声集束部件实现集束的原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-声发射部件；2-声集束部件；3-声约束部件；201-第一层圆柱体；202-第二层圆柱体；203-第三层圆柱体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供了一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置，参见图1，包括声发射部件1、声集束部件2和声约束部件3；所述声发射部件1和声集束部件2间隔设置在所述声约束部件3中，所述声约束部件3为声波吸收板，该声波吸收板围成一端封闭，一端开口的形状，其封闭端的角度为锐角；所述声集束部件2的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，所述声集束部件2用于将声发射部件1发出的声波进行折射，从而实现声波的集束；所述声约束部件3用于吸收未经过声集束部件2的声波。
其工作原理为：声发射部件发射的声波通过声集束部件时，由于的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，声波受梯度材料介质密度的影响发生折射，多次折射起后实现集束作用，而未通过梯度材料的声波被声约束部件吸收，从而实现高指向性的声发射。
作为本实施例中一种可行的方式，所述声集束部件2为利用水凝胶通过3D打印得到的至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体。在构建本发明提供的声发射装置时，先将声发射部件1放置于一与地面平行的声波吸收板上靠近其端部的位置，然后将声集束部件2间隔放置于该声波吸收板上。如图1所示，然后将另一块声波吸收板斜放于声发射部件1和声集束部件2上方，并与第一块声波吸收板靠近声发射部件1的一端构成锐角。最后将另外两块声波吸收板放置于声发射部件1和声集束部件2的侧面，通过4块声波吸收板将声波吸收板声发射部件1和声集束部件2围在其中，且在声集束部件2远离声发射部件1的一端为敞口状态。该结构仅为本发明实施例的一个示例，不应理解为对本发明的限制。
为了实现声集束的较佳效果，同时考虑到3D打印的程序的更简便性，所述声集束部件2为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体201的密度为0.98g/cm3-1.04g/cm3，第二层圆柱体202的密度为0.92g/cm3-0.98g/cm3，第三层圆柱体203的密度为0.86g/cm3-0.92g/cm3。这样设置的原因是在保证有效密度梯度的前提下，能够实现整体密度可调控，以应对不同的工作环境及工作要求。
参见图2，当声发射部件1发射的声波进入多级梯度密度水凝胶材料的声集束部件2时，产生多次折射，最后透过梯度水凝胶的声波与入射时平行，但声波趋于集中，起到集束作用。所述声约束部件3为泡沫铝板。未通过和未透过声集束部件2的声波作用在泡沫铝材料上，其表面几乎不存在可使声波反射的平面，声波产生漫反射，从而被泡沫铝吸收。泡沫铝板孔道中的空气在声波作用下发生形变，不可逆地将声能转化热能散失在环境之中。因而整个声波发射过程是绿色节能且自发进行的。
声发射部件1发射的所有声波一部分被吸收性能优秀的声屏障泡沫铝吸收，其余部分则通过梯度密度水凝胶而趋于集中。从而达到声发射高指向性的性能指标。
更为优选地，所述声集束部件2为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体的密度为1.0129g/cm3，第二层圆柱体的密度为0.9791g/cm3，第三层圆柱体的密度为0.9180g/cm3。
需要说明的是，所述至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体中每层的厚度相同。这样设置的原因是保证更大范围内声波能透过每层柱体，以实现集束效果最大化。
本实施例中，所述水凝胶的密度小于1，所述水凝胶包括1.5wt％-3.0wt％卡拉胶、25wt％-45wt％异丙醇和余下质量分数的H2O。例如：内向外第一层圆柱体201的材料为1.5wt％卡拉胶、25wt％IPA和余下质量分数的H2O，第二层圆柱体202的材料为1.5wt％卡拉胶、35wt％IPA和余下质量分数的H2O，第三层圆柱体203的材料为1.5wt％卡拉胶、45wt％IPA和余下质量分数的H2O。本实施例中采用采用的水凝胶材料密度小于1，可实现将该声发射装置应用于水下目标可视化探测技术。但本发明对此不作具体限定，还可以采用密度大于1的水凝胶，以适应于应用于空气中，例如，可以采用内向外成分为3.0wt％卡拉胶、5wt％IPA和余下质量分数的H2O，3.0wt％卡拉胶、25wt％IPA和余下质量分数的H2O的水凝胶，其密度大于1。
所述声发射部件1工作频率为10kHz-50kHz。
所述声集束部件2通过墨水直写成形3D打印梯度密度水凝胶得到，其中，3D打印具体过程为：针头内径0.4～0.6mm，打印速度7.50～12.50mm/s，挤出速度1.00～2.60mm3/s，线间距0.45～0.55mm，层间距0.45～0.55mm。
本发明另一实施例提供了一种声发射装置的应用，用于水下目标可视化探测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于3D打印仿生海豚的声发射装置，其特征在于，包括声发射部件(1)、声集束部件(2)和声约束部件(3)；所述声发射部件(1)和声集束部件(2)间隔设置在所述声约束部件(3)中，所述声约束部件(3)为声波吸收板，该声波吸收板围成一端封闭，一端开口的形状，其封闭端的角度为锐角；
所述声集束部件(2)的密度为梯度变化，其利用水凝胶通过3D打印得到，所述声集束部件(2)用于将声发射部件(1)发出的声波进行折射，从而实现声波的集束；
所述声约束部件(3)用于吸收未经过声集束部件(2)的声波。
2.如权利要求1所述的声发射装置，其特征在于，所述声集束部件(2)为利用水凝胶通过3D打印得到的至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体。
3.如权利要求2所述的声发射装置，其特征在于，所述声集束部件(2)为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体(201)的密度为0.98g/cm3-1.04g/cm3，第二层圆柱体(202)的密度为0.92g/cm3-0.98g/cm3，第三层圆柱体(203)的密度为0.86g/cm3-0.92g/cm3。
4.如权利要求3所述的声发射装置，其特征在于，所述声集束部件(2)为3层密度不同的同轴圆柱体；从内向外第一层圆柱体(201)的密度为1.0129g/cm3，第二层圆柱体(202)的密度为0.9791g/cm3，第三层圆柱体(203)的密度为0.9180g/cm3。
5.如权利要求2所述的声发射装置，其特征在于，所述至少两层密度不同的相互紧密连接的同轴圆柱体中每层的厚度相同。
6.如权利要求1-5任一项所述的声发射装置，其特征在于，所述水凝胶的密度小于1，所述水凝胶包括1.5wt％-3.0wt％卡拉胶、25wt％-45wt％异丙醇和余下质量分数的H2O。
7.如权利要求1-5任一项所述的声发射装置，其特征在于，所述声约束部件(3)为泡沫铝板。
8.如权利要求1-5任一项所述的声发射装置，其特征在于，所述声发射部件(1)工作频率为10kHz-50kHz。
9.如权利要求1-5任一项所述的声发射装置，其特征在于，所述声集束部件(2)通过墨水直写成形3D打印梯度密度水凝胶得到，其中，3D打印具体过程为：针头内径0.4～0.6mm，打印速度7.50～12.50mm/s，挤出速度1.00～2.60mm3/s，线间距0.45～0.55mm，层间距0.45～0.55mm。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的声发射装置的应用，其特征在于，用于水下目标可视化探测。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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