CN115240628A

CN115240628A - 一种双梯度声聚焦人工耳廓

Info

Publication number: CN115240628A
Application number: CN202210848835.7A
Authority: CN
Inventors: 马富银; 张昊; 黄镇; 吴九汇
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-10-25

Abstract

本发明公开了一种双梯度声聚焦人工耳廓，由多个高度按梯度分布的圆环型超表面单元(1)通过设定的间距在底板(2)上由内到外高度逐渐递增排布而成，每个圆环型超表面单元(1)的反射相位梯度分布，使得整个人工耳廓呈凹面形状，借助梯度反射相位和梯度几何高度的双重梯度特性，实现宽带声信号聚焦。本发明可以在空气等气体介质中工作，也可以在水等液体介质中工作，且结构简单，整体尺寸与操作波长相当，满足结构紧凑和轻量化的需求，具有广泛的应用前景。本发明可以广泛用于声学目标探测、微弱声信号检测等领域，具有重要的应用价值。

Description

一种双梯度声聚焦人工耳廓

技术领域

本发明属于声学器件领域，具体涉及一种双梯度声聚焦人工耳廓。

背景技术

声音是自然界中的重要信息媒质，很多动物包括人类都是主要通过声音信号交流、判断目标的方位、距离等信息。以人类为例，声音是通过由耳廓、耳道、听骨链和耳蜗等器官组成的听觉系统感知的。其中，耳廓和耳道可以对大约3000Hz以上的中高频声信号产生增强效果，使得人们能够听到更远距离的目标发出的声信号，或者在嘈杂的环境中更清晰地感知目标信号，提高目标信号的信噪比。另外，随着世界各国海洋开发战略的快速推进，准确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，所以水中主要只能通过声波来进行信息传递，而且主要通过水听器和声呐来完成水下目标探测。因此，为了提高信号探测能力，一般需要不断提高水听器的灵敏度。事实上，还可以类比哺乳动物的听觉系统，提升探测信号的幅值，以达到提高探测距离和探测能力的目的。而耳廓和耳道主要是通过耳道的共振或耳廓的反射和散射聚焦来实现声信号增强的，所以也可以通过构造被动的人工功能结构，来模拟人耳对声信号的增强效果。

可以实现声信号增强的人工功能结构主要可以分为两大类，一类是声学聚能器，另一类是声学透镜。声学聚能器方面，一类结构是通过共振增强效果实现聚能的，比如可以通过超材料结构围成一个腔体，通过单元和腔体之间的杂化共振方式实现声信号幅值的提升。这种聚能器的工作原理和人的耳道很相似，是由共振主导的。另一类是通过能量引导实现聚能的，比如Popa提出了一种被动metafluid，通过在波传播方向布置具有梯度参数的单元，将声能量引导至目标区域。在已报道的文献中，以基于能量引导原理的声学聚能器为主导。其工作原理是通过功能结构的设计，以非均匀的材料参数分布将声波引导至特定区域，实现将较大区域的声波能量压缩至较小区域的效果，进而实现声能增强。大多数声学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，主要分为空气和水两类流体介质。从结构形式来看，大多数都是二维的，但也有少量结构可以实现三维全向声聚能。这些聚能器在空气中有很多得到了实验验证，但目前还没有水下声聚能器的实验报道。

除了声学聚能器外，声聚焦透镜是另一种常用的提高声能增益的有效装置。传统的声聚焦透镜有两类，一类是具有梯度几何厚度的声学透镜，其工作原理基于梯度折射率；另一类是菲涅尔透镜，聚焦原理依赖于声波通过不同尺寸的环形窄缝后产生的衍射声波之间的相干相长。由于传统声透镜存在尺寸过大，增益小等缺点，在水声领域很难得到应用。除了传统的声学透镜外，近年来，人们通过声子晶体和声学超结构等新型功能结构，设计了大量声学超透镜，可以分为透射型和反射型两大类。在现有报道的水声超透镜中，大多是基于声子晶体的透射型透镜，主要工作原理是通过结构参数梯度分布的周期性声子晶体结构形成折射率的梯度分布，进而实现声聚焦。虽然这些透镜的工作带宽相对较宽，但由于单元尺寸和工作频率对应波长相当，整个周期性结构组成的透镜的尺寸远大于(通常10倍以上)工作频率对应的波长。这样，由于水中声波的波长较长，这类声透镜如果应用于可听声频带，结构将会非常庞大，无法满足应用要求。另外，通过具有梯度透射相位或折射率分布的超表面单元也可以构造透射型超透镜，而且结构尺寸比声子晶体型的小，可以实现亚波长的厚度。反射聚焦透镜的工作原理是通过不同的超结构单元获得梯度分布的反射相位，从而实现聚焦。为了获得较大的聚焦增益，需要形成足够大的反射面，因此虽然单元的尺寸可以是亚波长的，但整个透镜的尺寸依然会达到操纵波长的数倍以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双梯度声聚焦人工耳廓，通过多个高度和反射相位均按梯度分布的超表面单元，构造一个双重梯度凹面反射透镜，可以实现聚焦幅值和工作频带的双重叠加，从而实现宽带声能增强效果。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种双梯度声聚焦人工耳廓，由多个高度按梯度分布的圆环型超表面单元通过设定的间距在底板上由内到外高度逐渐递增排布而成，每个圆环型超表面单元的反射相位梯度分布，使得整个人工耳廓呈凹面形状，借助梯度反射相位和梯度几何高度的双重梯度特性，实现宽带声信号聚焦。

本发明进一步的改进在于，每个圆环型超表面单元的高度由内到外按从低到高的梯度分布，使得整体形成凹面结构。

本发明进一步的改进在于，每个圆环型超表面单元的反射相位由内到外按连续梯度排布。

本发明进一步的改进在于，圆环型超表面单元能够实现连续梯度反射相位。

本发明进一步的改进在于，圆环型超表面单元的类型选择共振腔结构或迷宫结构。

本发明进一步的改进在于，圆环型超表面单元的类型选择共振薄膜/薄板结构。

本发明进一步的改进在于，该人工耳廓能够在以空气为代表的气体介质中实现宽带声聚焦。

本发明进一步的改进在于，该人工耳廓能够在以水为代表的液体介质中实现宽带声聚焦。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明同时采用了几何尺寸的梯度分布和反射相位的梯度分布，不但可以大幅提升聚焦幅值，还能有效拓宽工作频带；

2、本发明结构简单，便于批量快速制造，且整体尺寸与操作波长相当，满足结构紧凑和轻量化的需求；

3、本发明既可以用于空气等气体介质中实现声信号增强，也可以用于水等液体介质中实现声信号增强，具有广泛的应用前景；

4、本发明相当于是一种双重梯度功能结构，综合利用波前反射相位调控和几何凹面反射机制，实现聚焦幅值和工作频带的双重叠加增强效果；

5、本发明就像人的耳廓一样，可以在很宽频带内通过反射聚焦的方式实现信号增强；

6、本发明引入了共振调制和几何调制，不但保留了倏逝波信息，还实现了聚焦频带的有效拓宽；

7、通过凹面半径等结构参数的调整，可以灵活地实现工作频带的偏移。

综上所述，根据本发明的上述特点，本发明通过综合利用超表面单元的梯度反射相位分布和梯度高度几何凹面构形，构造了双重梯度反射协同聚焦机制，实现了聚焦幅值和工作频带的双重叠加增强效果。这种结构既可以在空气等气体介质中工作，也可以在水等液体介质中工作。结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求，具有广泛的应用前景。可以广泛用于声学目标探测、微弱声信号检测等领域，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为内侧开孔型单共振腔水声超表面单元结构及仿真模型设置示意图。

图2为超表面单元的反射相位和反射系数计算结果。

图3为用于构造反射声透镜的5个超表面单元的反射相位。

图4为用于构造反射声透镜的5个超表面单元的反射系数计算结果。

图5为由5个高度和反射相位双重梯度分布的超表面单元在径向排列而成的凹面聚焦声透镜二维轴对称视图。

图6为由5个高度和反射相位双重梯度分布的超表面单元在径向排列而成的凹面聚焦声透镜三维结构示意图。

图7为不同频率下沿轴向的声能分布计算结果。

图8为不同轴向高度位置处不同频率下的声能分布计算结果。

图9为不同频率处的声能分布云图。

图10为由5个高度和反射相位双重梯度分布的超表面单元在径向排列而成的水声人工耳廓在非自由场中的二维轴对称计算模型。

图11为带和不带水声人工耳廓时不同频率下沿轴向的声能分布计算结果。

图12为不同轴向高度位置处不同频率下的声能分布计算结果。

图13为不同频率处的声能分布云图。

图14为所加工的水声人工耳廓测试样品照片。

图15为布置和不布置水声人工耳廓时的声信号测量结果。

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。

本发明提供的一种双梯度声聚焦人工耳廓，由多个高度按梯度分布的圆环型超表面单元1通过设定的间距在底板2上由内到外高度逐渐递增排布而成，每个圆环型超表面单元1的反射相位梯度分布，使得整个人工耳廓呈凹面形状，借助梯度反射相位和梯度几何高度的双重梯度特性，实现宽带声信号聚焦。

实施例

(一)双梯度参数水声超表面设计

作为实施案例，这里选择水作为工作介质，超表面单元的材料为铝合金材料。本实施案例采用的超表面单元如附图1所示，属于一种内侧开孔的单共振腔结构。为了保证声波能够与共振腔产生相互作用，在共振腔开口侧留一个声传播通道。共振腔的宽度为a，腔体高度为H，壁面厚度为w，开口高度为h，底板壁厚为h₁，整体单元的宽度为b。保持其它尺寸参数不变，通过改变a的值或H值，均可以实现反射相位的调节。给定一组结构参数(a＝9.5mm；H＝20mm；w＝3.2mm；h＝2mm；h₁＝4mm；b＝20mm)，在商业多物理场耦合有限元分析软件COMSOL中，采用声固耦合模块，建立二维轴对称仿真模型。单元结构采用铝合金，其弹性模量、密度和泊松比分别为70GPa，2800kg/m³和0.28。填充介质为水，其声速和密度分别为1500m/s和1000kg/m³。通过在下端边界和上端边界设置平面波辐射，并在下端边界给定频率为8000Hz-10000Hz，幅值为1Pa的入射声压，可以计算出单元的反射相位和反射系数如附图2所示。可以看出，在9000Hz处，反射相位达到π，反射系数达到一个峰值，幅值超过0.8。由于在9000Hz两侧，反射相位是连续变化的，因此，通过这种超表面单元可以实现反射相位的任意操纵。

虽然从超表面的工作原理来看，采用越多单元构成梯度相位声透镜，波前相位连续性会越好。但考虑到采用较多的单元会导致声透镜的尺寸过大，不便于应用。因此，这里只采用5个超表面单元，记为1#，2#，3#，4#和5#，构造具有梯度反射相位和高度的水声反射透镜。选择工作频率为9000Hz，根据圆弧形凹面结构的尺寸关系，设置这5个超表面单元的高度分别为H₁＝20mm，H₂＝25mm，H₃＝40mm，H₄＝75mm，H₅＝120mm。然后，通过选择不同的宽度参数a，设计5个反射相位梯度递减的超表面单元。这些单元的宽度分别为a₁＝9.5mm，a₂＝9.5mm，a₃＝18mm，a₄＝18mm，a₅＝11mm，反射相位分布如附图3所示。从图中可以看出，1#～4#单元的反射相位按梯度π/2递减，5#单元由于高度过高，很难通过改变a的值在设计频率处实现-π相位，因此略偏离设计值。此外，还可以看出，这些单元在较宽频带内，反射相位都是呈梯度分布的。因此，虽然反射相位分布是按单一频率设计的，但反射聚焦透镜的工作频带应该是有一定带宽的。此外，在附图4中还绘制了这些单元的反射系数计算结果，可以看出，在设计频率9000Hz处，2#单元和4#单元的反射系数较低，其余单元的反射系数较高。这意味着，如果单纯通过反射相位的机理实现聚焦，由于部分单元的反射系数不高，可能会导致聚焦效果不理想。

(二)双梯度人工耳廓及聚焦性能验证

通过将这5个单元从内到外按高度梯度排列，得到如附图5所示的反射透镜结构。这些单元的高度是近似按半圆形弧线梯度分布的，1#单元的高度最低，随着径向距离的增加高度逐渐增加。而反射相位近似按线性梯度分布，1#、2#、3#、4#和5#单元的反射相位分别约为π，π/2，0，-π/2和5π/6(与理想相位-π相差π/6)。这样，就得到双梯度人工耳廓结构，即几何高度和反射相位均按梯度分布。通过将附图5中的二维轴对称结构绕中轴线旋转360度，可以得到如附图6所示的三维结构。为了得到该双梯度人工耳廓的聚焦效果，建立了有限元全波模拟模型，计算了不同频率下的声场分布(本发明统一采用幅值为声压的平方|P²|)。第一组模型的工作条件是在波导中，声传播通道的璧面设置为硬声场边界。得到不同频率下沿轴向的声能分布如附图7所示，不同轴向高度位置处不同频率下的声能分布如附图8所示。从附图7可以看出，在约轴向高度90mm处，设计频率9000Hz附近产生一个幅值很高的峰。而在其它频率处，也在该位置附近得到一个明显的峰，但幅值低于设计频率处的结果。从附图8可以看出，在60mm高度处，在8200Hz、9000Hz、9100Hz及9400Hz以上频带都有很强的幅值增强效果；在90mm高度处，在8200Hz、8500Hz、9000Hz、9100Hz、9300Hz、9400Hz及9500Hz等频率处都有很强的幅值增强效果。这说明，这种反射透镜的聚焦幅值分布是不均匀的，需在不同的频率下寻找最佳的侧量高度，才能获得最优的声能增强效果。

另外，附图9中绘制了7000Hz、9000Hz、11000Hz和13000Hz处的声场分布结果，从图中可以看出，在所有频率处，都能在人工耳廓的凹面区域内产生一个明显的焦斑。特别是在几何中心处，聚焦效果较为明显。这就意味着，在几何调制的作用下，可以在很宽频带内产生很强的聚焦效果。此外，结合附图7和8中的结果可知，在设计频率附近聚焦幅值较高，说明这种聚焦效果的实现，依赖于反射相位的梯度分布。而在较宽频带内都能实现良好的聚焦效果，则说明这种聚焦效果同时也依赖于凹面透镜的几何反射功能。因此，在反射相位和几何高度的双梯度协同作用下，不但实现了聚焦幅值的大幅提升，还有效地拓宽了工作带宽，表现出前所未有的宽带高声能增强效果。

事实上，在日常生活中，人类的耳朵往往是在非波导条件下工作的。同样，这种人工耳廓的应用环境也不会是在波导中。因此，建立了第二组模型，以模拟自由场工作条件。该模型如附图10所示，上方建立了一个圆柱形声源，模拟水声发射换能器向下辐射平面波。声传播区域为一个半径为R₁，长度为H₀的圆柱形区域，柱面边界设置为柱面波辐射，以消除边界反射效应。由于声场边界没有反射，所建立的模型就相当于是模拟自由场的工作条件。为了对比，还建立了不带人工耳廓的参考模型。同样，通过有限元全波模拟，得到带和不带人工耳廓的模型不同频率下沿轴向的声能分布如附图11所示，不同轴向高度位置处不同频率下的声能分布如附图12所示。从附图11可以看出，在约轴向高度90mm处，设计频率9000Hz附近产生一个幅值很高的峰，幅值比对照组高数十倍。而在其它频率处，也在该位置附近区域得到一个明显的峰，幅值也比对照组高出10倍以上。从附图12中可以看出，在60mm高度处，除了在8400Hz、8800Hz和9300Hz处，带人工耳廓的结果没有明显的高于对照组，在其余频率处都显著高于对照组，在9100Hz处高出100倍以上。在90mm高度处，除了在8700Hz和10000Hz处人工耳廓的结果没有明显的高于对照组，在其余频率处都显著高于对照组，平均高出20倍以上。可以说明，这种人工耳廓在非波导条件下依然能够实现良好的宽带声能增强效果，可以满足实际应用要求。为了直观地展示这种人工耳廓对声信号的增强效果，在附图13中绘制了7kHz、9kHz、11kHz和13kHz处带和不带人工耳廓时的声场分布结果。从附图中可以看出，在所有频率处，带人工耳廓的一组都能在透镜的凹面区域内产生一个明显的焦斑。和在波导中的情形相似，在几何中心处，聚焦效果较为明显。这就意味着，在几何调制的作用下，这种水声人工耳廓可以在很宽频带内产生很强的聚焦效果。而且可以看出，增加人工耳廓后，在靠近人工耳廓的很大区域内，声信号幅值都较对照组大幅提升。这说明，这种人工耳廓的声能增强效果，不局限于人工耳廓内部区域，在靠近人工耳廓的区域内也有明显的增强效果。原因在于，对于人工耳廓附近区域，相当于增加了一个进场反射体和散射体，导致入射信号和反射或散射信号产生相干增强效果。

为了验证所设计的水声人工耳廓的声信号增强效果，采用铣削的传统机械加工方式，制作了人工耳廓的样品，如附图14所示。测试在消声水池中进行，通过一个圆柱形换能器声源朝超透镜方向发射线性调频信号，频率范围为6000Hz到14000Hz，然后通过与人工耳廓集成在一起的水听器在约高度90mm处采集信号。通过在相同位置采集布置和不布置人工耳廓时的声信号，进行FFT变换，得到如附图15所示的归一化频谱。从图中可以看出，在增加人工耳廓后，声信号幅值在很宽频带内都得到了大幅提升。其中，在约6200Hz-7100kHz，以及7200Hz-8000Hz频带内增益较小，而8000Hz-9100Hz，9300Hz-10800Hz，11900Hz-13000Hz，以及13300Hz以上频带均有较大的增益，平均声压幅值达到对照组的2倍。

根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：

Claims

1.一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，由多个高度按梯度分布的圆环型超表面单元(1)通过设定的间距在底板(2)上由内到外高度逐渐递增排布而成，每个圆环型超表面单元(1)的反射相位梯度分布，使得整个人工耳廓呈凹面形状，借助梯度反射相位和梯度几何高度的双重梯度特性，实现宽带声信号聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，每个圆环型超表面单元(1)的高度由内到外按从低到高的梯度分布，使得整体形成凹面结构。

3.根据权利要求1所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，每个圆环型超表面单元(1)的反射相位由内到外按连续梯度排布。

4.根据权利要求1所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，圆环型超表面单元(1)能够实现连续梯度反射相位。

5.根据权利要求4所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，圆环型超表面单元(1)的类型选择共振腔结构或迷宫结构。

6.根据权利要求4所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，圆环型超表面单元(1)的类型选择共振薄膜/薄板结构。

7.根据权利要求1所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，该人工耳廓能够在以空气为代表的气体介质中实现宽带声聚焦。

8.根据权利要求1所述的一种双梯度声聚焦人工耳廓，其特征在于，该人工耳廓能够在以水为代表的液体介质中实现宽带声聚焦。