CN115588423B - 一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线 - Google Patents

一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为‑30˚，下半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为30˚，利用声学谷投影拓扑边界态的无背向散射、对缺陷鲁棒性强以及谷投影物理本质等特点，实现了对语音频段声波的宽频高指向性辐射，且利用单端口声波导体积小，因此可应用于智能机器人，实现保密声通讯功能。

Description

一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线。
背景技术
声波定向传播技术在军事领域和民用领域都有着广阔的应用场景，如：新型的人工智能机器人需要定向宽频辐射声束来提高声波传输的指向性，以保证声信号的保密性；从而，实现语音频段宽频声波的高指向性辐射不仅是一个具有重要意义的科学问题，而且在人工智能机器人等领域具有重大应用前景。
现有技术中为解决上述问题，往往使用声子晶体和局域共振型超材料用于实现声波指向性辐射天线，并基于相控阵技术的参量扬声器和麦克风阵列，其依靠非常大的传感器阵列和复杂的信号处理系统来实现波束成形，以获得合理的空间分辨率；
但，庞大的主动阵列和复杂的处理系统非常不利于声学器件的小型化和集成化，通常在智能机器人应用场景受到限制。
由此，为改善上述技术问题，本发明提供了一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，改善了上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，解决了庞大的主动阵列和复杂的处理系统非常不利于声学器件的小型化和集成化，通常在智能机器人应用场景受到限制的问题。
本发明提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为-30˚，下半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为30˚，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；
所述单端口声波导包括垂直面、上底面、下底面以及后端面，所述垂直面、上底面、下底面均垂直安装在后端面一侧，所述垂直面一侧分别与上底面和下底面一端连接，所述后端面远离垂直面的一端设为声波导出射端口。
优选的，多个所述散射柱均由三个角度差120˚的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧。
优选的，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱靠近上底面的实心臂与上底面垂直，形成正立的三臂结构。
优选的，利用多个所述散射柱组成带状拓扑声子晶体，所述带状拓扑声子晶体包括上半部-30˚旋转角的多个散射柱和下半部30˚旋转角的多个散射柱，形成体能带带隙。
优选的，所述带隙中存在横穿整个带隙的拓扑边界态，所述拓扑边界态的产生源自边界两端的结构具有不同的拓扑谷陈数。
优选的，所述垂直面靠近上底面的一侧安装有吸声海绵。
优选的，所述单端口声波导和多个散射柱均由环氧树脂或尼龙材料制作而成。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，通过声学谷投影拓扑边界态的无背向散射、对缺陷鲁棒性强以及谷投影物理本质等特点，实现了对语音频段声波的宽频高指向性辐射，且利用单端口声波导体积小，因此可应用于智能机器人，实现保密声通讯功能。
2、本发明提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，提出的声学辐射天线具备工作频段宽、尺寸小、重量轻、便于携带等特点，对宽频的声信号具有高指向性辐射作用，为语音频段的声信号指向性保密传输提供了一种可行的解决办法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1中，图(a)为散射柱旋转角度为0˚情况下的初基元胞结构示意图，图(b)为沿着第一布里渊区高对称点路径得到的色散曲线；
图2中，图(a)为散射柱旋转角度为-30˚情况下的初基元胞结构示意图，图(b)为图(a)中结构对应的色散曲线，图(c)为散射柱旋转角度为30˚情况下的初基元胞结构示意图，图(d)为图(c)中结构对应的色散曲线；
图3中，图(a)为带状拓扑声子晶体及边界的结构示意图，图(b)为相应的色散曲线；
图4中，图(a)为工作频率为2kHz时天线辐射声波的生能量分布示意图，图(b)为指向性辐射的动量空间原理图；
图5为本发明的宽带指向性声波辐射天线中有无拓扑声子晶体两种情况下的辐射声波的指向性对比示意图；
图6为本发明的宽带指向性声波辐射天线的宽工作频带下远场辐射声能量与角度的关系示意图；
图7为本发明的拓扑声波辐射天线的立体图；
图8为本发明的拓扑声波辐射天线的俯视图。
图中：垂直面1、上底面2、下底面3、后端面4、散射柱5、吸声海绵6。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以是固定连接，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。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明；
本发明提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，如图1至8所示，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱5组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱5旋转角度为-30˚，下半区域拓扑声子晶体的散射柱5旋转角度为30˚，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；
所述单端口声波导包括垂直面1、上底面2、下底面3以及后端面4，所述垂直面1、上底面2、下底面3均垂直安装在后端面4一侧，所述垂直面1一侧分别与上底面2和下底面3一端连接，所述后端面4远离垂直面1的一端设为声波导出射端口；
优选地，多个所述散射柱5均由三个角度差120˚的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧；
优选地，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱5靠近上底面2的实心臂与上底面2垂直，形成正立的三臂结构；
优选地，所述下半区域拓扑声子晶体的散射柱5靠近下底面3的实心臂与下底面3相垂直，形成倒立的三臂结构；
实施例1，参见图7，图8，单端口声波导呈直角梯形，上底面2、下底面3和后端面4的长度分别为20cm，36cm和27.7cm，壁厚为1cm；垂直面1的高度为7cm；将8个散射柱5按照相应的位置和旋转角度转动安装在单端口声波导内部，多个散射柱5的高均为7cm，臂长均为3.2cm，臂宽均为1.12cm，晶格常数为8cm；波导的上半区域布置旋转角度为-30˚的散射柱5，下半区域布置散射柱5旋转角度为30˚的散射柱5,这两种具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了声波拓扑界面；
参见图1，对于旋转角为0˚的散射柱5组成的拓扑声子晶体，由于此时声子晶体具有
Figure SMS_1
对称性，所以在其第一布里渊区的角点上会得到能带简并的狄拉克锥，狄拉克锥的频率为2.0kHz，因此需要通过两种相反的打破镜面对称性的方式来产生具有不同谷陈数的两种拓扑声子晶体；
参见图2，通过散射柱5顺时针旋转得到旋转角为-30˚的正立三臂型散射柱5，如图2(a)所示，由这种散射柱5形成的拓扑声子晶体的色散曲线，色散曲线如图2(b)所示；由于镜面对称性的破缺，原有的狄拉克锥被打破，形成了体能带带隙，这种拓扑声子晶体的谷陈数为
Figure SMS_2
；图2(c)中旋转角为30˚的倒立三臂型散射柱5对应的声子晶体具有和图2(a)中拓扑声子晶体相同的色散曲线，色散曲线如图2(d)所示，但是其谷陈数相反，
Figure SMS_3
；
参见图4，将本发明的宽带指向性声波辐射天线放置在半圆形自由空间内，利用有限元软件模拟计算频率为2kHz的声波从所述拓扑边界中耦合到自由空间后的场分布，将声波辐射天线的声波导出射端口面沿水平方向放置，如图4(a)所示，由仿真结果可知，拓扑天线可沿角度
Figure SMS_4
辐射出语音频段的高指向性声束，这种辐射功能源于谷投影的边界态；具体的，由于在拓扑边界上声波沿正向传播，拓扑边界态是由/>
Figure SMS_5
谷投影得到；如图4(b)所示，拓扑声子晶体的第一布里渊区(六边形线框)和声波在自由空间传播的等频线(圆)，辐射角可以由声波在不同介质界面处的横向波矢匹配关系得到，即/>
Figure SMS_6
，其中K表示入射波矢，k表示自由空间波矢，/>
Figure SMS_7
是出射端边界的单位方向矢量,如图4(b)所示，出射端口面方向由点虚线表示；计算出辐射角/>
Figure SMS_8
，并以白色虚线箭头和黑色实线箭头分别标注在图4(a)和图4(b)中。
相较于现有的拓扑声波辐射天线：
其一，利用单端口声波导体积小，无需使用主动阵列和复杂的处理系统非常不利于声学器件的小型化和集成化，进而可应用于智能机器人，实现保密声通讯功能；
其二，参见图5，对比存在拓扑声子晶体(黑色实线)的情况下和不存在拓扑声子晶体(黑色虚线)的情况下远场处声能量的指向性分布情况；与不存在拓扑声子晶体的情况相比，经过所设计的拓扑声波辐射天线辐射出来的声波显然具有更高的指向性；
其三，参见图6，可见在范围为1.8～2.2kHz的工作频段内，经过所设计的声波辐射天线辐射出的声波均具有良好的指向性。
实施例2，优选地，利用多个所述散射柱5组成带状拓扑声子晶体，所述带状拓扑声子晶体包括上半部-30˚旋转角的多个散射柱5和下半部30˚旋转角的多个散射柱5，形成体能带带隙；其中x方向为周期边界的带状拓扑声子晶体，带状拓扑声子晶体如图3(a)所示，图3(b)为计算得到的色散曲线；由色散曲线可知，在带隙中存在横穿整个带隙的拓扑边界态；这种拓扑边界态的产生源自边界两端的结构具有不同的拓扑谷陈数，由于在K点的谷陈数变化为
Figure SMS_9
，所以K谷投影的拓扑边界态将向负方向传播；而在/>
Figure SMS_10
点，谷陈数变化为/>
Figure SMS_11
，所以/>
Figure SMS_12
谷投影的拓扑边界态将向正方向传播；
通过多个带状拓扑声子晶体组成体积大的高指向性的拓扑声波辐射天线，能够进一步增强能量，使得指向性更长、更窄，提高通讯效率。
优选地，所述垂直面1靠近上底面2的一侧固定安装有吸声海绵6，通过吸声海绵6可以进一步降噪；
优选地，所述单端口声波导和多个散射柱5均由环氧树脂或尼龙材料制作而成，利用环氧树脂或尼龙材料均具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的特性，进一步声波辐射的泄露。
工作原理：参见图7，图8，单端口声波导呈直角梯形，上底面2、下底面3和后端面4的长度分别为20cm，36cm和27.7cm，壁厚为1cm；垂直面1的高度为7cm；将8个散射柱5按照相应的位置和旋转角度转动安装在单端口声波导内部，多个散射柱5的高均为7cm，臂长均为3.2cm，臂宽均为1.12cm，晶格常数为8cm；波导的上半区域布置旋转角度为-30˚的散射柱5，下半区域布置散射柱5旋转角度为30˚的散射柱5,这两种具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了声波拓扑界面；
参见图1，对于旋转角为0˚的散射柱5组成的拓扑声子晶体，由于此时声子晶体具有
Figure SMS_13
对称性，所以在其第一布里渊区的角点上会得到能带简并的狄拉克锥，狄拉克锥的频率为2.0kHz，因此需要通过两种相反的打破镜面对称性的方式来产生具有不同谷陈数的两种拓扑声子晶体；
参见图2，通过散射柱5顺时针旋转得到旋转角为-30˚的正立三臂型散射柱5，如图2(a)所示，由这种散射柱5形成的拓扑声子晶体的色散曲线，色散曲线如图2(b)所示；由于镜面对称性的破缺，原有的狄拉克锥被打破，形成了体能带带隙，这种拓扑声子晶体的谷陈数为
Figure SMS_14
；图2(c)中旋转角为30˚的倒立三臂型散射柱5对应的声子晶体具有和图2(a)中拓扑声子晶体相同的色散曲线，色散曲线如图2(d)所示，但是其谷陈数相反，
Figure SMS_15
；
参见图4，将本发明的宽带指向性声波辐射天线放置在半圆形自由空间内，利用有限元软件模拟计算频率为2kHz的声波从所述拓扑边界中耦合到自由空间后的场分布，将声波辐射天线的声波导出射端口面沿水平方向放置，如图4(a)所示，由仿真结果可知，拓扑天线可沿角度
Figure SMS_16
辐射出语音频段的高指向性声束，这种辐射功能源于谷投影的边界态；具体的，由于在拓扑边界上声波沿正向传播，拓扑边界态是由/>
Figure SMS_17
谷投影得到；如图4(b)所示，拓扑声子晶体的第一布里渊区(六边形线框)和声波在自由空间传播的等频线(圆)，辐射角可以由声波在不同介质界面处的横向波矢匹配关系得到，即/>
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Figure SMS_19
是出射端边界的单位方向矢量,如图4(b)所示，出射端口面方向由点虚线表示；计算出辐射角/>
Figure SMS_20
，并以白色虚线箭头和黑色实线箭头分别标注在图4(a)和图4(b)中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱（5）组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）旋转角度为-30˚，下半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）旋转角度为30˚，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；
所述单端口声波导包括垂直面（1）、上底面（2）、下底面（3）以及后端面（4），所述垂直面（1）、上底面（2）、下底面（3）均垂直安装在后端面（4）一侧，所述垂直面（1）一侧分别与上底面（2）和下底面（3）一端连接，所述后端面（4）远离垂直面（1）的一端设为声波导出射端口；
对于旋转角为0˚的散射柱（5）组成的拓扑声子晶体，由于此时声子晶体具有C 3v对称性，所以在其第一布里渊区的角点上会得到能带简并的狄拉克锥，狄拉克锥的频率为2.0 kHz；
拓扑天线可沿角度
Figure QLYQS_1
辐射出语音频段的高指向性声束，拓扑边界态是由K/>
Figure QLYQS_2
谷投影得到；拓扑声子晶体的第一布里渊区和声波在自由空间传播的等频线，辐射角由声波在不同介质界面处的横向波矢匹配关系得到，即/>
Figure QLYQS_3
，其中K表示入射波矢，k表示自由空间波矢，e term是出射端边界的单位方向矢量；计算出辐射角/>
Figure QLYQS_4
；
所述单端口声波导呈直角梯形，上底面（2）、下底面（3）和后端面（4）的长度分别为20cm，36 cm和27.7 cm，壁厚为1 cm；垂直面（1）的高度为7 cm；将8个散射柱（5）按照相应的位置和旋转角度转动安装在单端口声波导内部，多个散射柱（5）的高均为7 cm，臂长均为3.2cm，臂宽均为1.12 cm，晶格常数为8 cm；波导的上半区域布置旋转角度为-30˚的散射柱（5），下半区域布置散射柱（5）旋转角度为30˚的散射柱（5）,这两种具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了声波拓扑界面；
通过所述散射柱（5）顺时针旋转得到旋转角为-30˚的正立三臂型散射柱（5），由这种散射柱（5）形成的拓扑声子晶体的色散曲线，由于镜面对称性的破缺，原有的狄拉克锥被打破，形成了体能带带隙，这种拓扑声子晶体的谷陈数为C K =
Figure QLYQS_5
，C K’ =/>
Figure QLYQS_6
；旋转角为30˚的倒立三臂型散射柱（5）对应的声子晶体具有拓扑声子晶体相同的色散曲线，但是其谷陈数相反，为C K =/>
Figure QLYQS_7
，C K’=/>
Figure QLYQS_8
；
将宽带指向性声波辐射天线放置在半圆形自由空间内，利用有限元软件模拟计算频率为2 kHz的声波从所述拓扑边界中耦合到自由空间后的场分布，将声波辐射天线的声波导出射端口面沿水平方向放置。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：多个所述散射柱（5）均由三个角度差120˚的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）靠近上底面（2）的实心臂与上底面（2）垂直，形成正立的三臂结构。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述下半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）靠近下底面（3）的实心臂与下底面（3）相垂直，形成倒立的三臂结构。
5.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：利用多个所述散射柱（5）组成带状拓扑声子晶体，所述带状拓扑声子晶体包括上半部-30˚旋转角的多个散射柱（5）和下半部30˚旋转角的多个散射柱（5），形成体能带带隙。
6.根据权利要求5所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述带隙中存在横穿整个带隙的拓扑边界态，所述拓扑边界态的产生源自边界两端的结构具有不同的拓扑谷陈数。
7.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述垂直面（1）靠近上底面（2）的一侧安装有吸声海绵（6）。
8.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述单端口声波导和多个散射柱（5）均由环氧树脂或尼龙材料制作而成。
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CN104795061B (zh) * 2015-04-14 2018-07-31 南京大学 宽带单向传声通道
US11100914B1 (en) * 2018-01-26 2021-08-24 Hrl Laboratories, Llc Phononic crystal coupler
CN113470611B (zh) * 2021-07-06 2024-04-12 广东工业大学 赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体
CN114967188A (zh) * 2022-04-01 2022-08-30 广东工业大学 一种二维六方晶格声子晶体及其波导结构
CN115101039A (zh) * 2022-05-13 2022-09-23 河南工业大学 基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体
CN115273792A (zh) * 2022-07-22 2022-11-01 长安大学 一种基于声子晶体理论的声学器件

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