CN116055949A - 一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线 - Google Patents

一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于声学天线技术领域,具体涉及一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线。本发明通过左侧面、上侧面、下侧面以及后端面相互拼接形成单端口声波导,使得单端口声波导右侧为开放端口,且单端口声波导为平行四边形结构,并在单端口声波导内部设置拓扑声子晶体和吸声海绵,通过这一结构,能够实现对两个不同的语音频段声波的高指向性接收,实现抗干扰高保密声通讯功能,同时,本发明提出的声学接收天线具备双工作频段、尺寸小、重量轻、便于携带等特点,对两个独立宽频段的声信号具有高指向性接收作用,为语音频段的声信号指向性抗干扰保密传输提供了一种可行的解决办法,可以应用于人工智能机器人等领域。

Description

一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线
技术领域
本发明属于声学天线技术领域,具体涉及一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线。
背景技术
在实际声学环境中,由于有害干扰回波和噪声源的存在,想准确清晰地捕获目标声源处的声信号、实现高信噪比通信是一个科学难题。例如,新型的人工智能机器人需要定向接收声波的能力来保证在嘈杂环境中准确接收声信号的能力,使其能应用于各种复杂的场景。再例如当多个新型机器人工作于同一环境时,定向接收声波的能力就可以保证每个机器人可以分别接收到相应目标声信号从而独立地进行工作而不会彼此干扰。因此,实现多语音频段声波的高指向性接收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。
针对这一科学难题,基于相控阵麦克风阵列的传统技术中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,极大的限制了应用场景。而基于声学超材料的接收天线往往工作频率单一,应用潜力有限。因此,具有抗干扰能力、高信噪比、多工作频段的高指向性声波接收天线亟待提出。
鉴于此,本发明为解决上述问题,设计一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线。
发明内容
发明目的:本发明的目的是针对目前技术中的不足,提供了一种具有抗干扰能力、高信噪比、多工作频段的双频段高指向性的拓扑声波接收天线。
技术方案:为实现上述目的,本发明提供了一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,包括单端口声波导、拓扑声子晶体以及吸声海绵;
所述单端口声波导为平行四边形结构,所述单端口声波导包括左侧面、上侧面、下侧面以及后端面,所述左侧面、上侧面以及下侧面分别垂直安装在后端面的左端、上端以及下端,所述左侧面上端和下端分别与所述上侧面和所述下侧面连接,所述上侧面、下侧面与左侧面均为长方形板,所述单端口声波导的右侧面为开放端口;
所述拓扑声子晶体包括共振单元,所述共振单元呈迷宫型,所述共振单元包括三个120°的扇形曲折的声波导,所述共振单元固定安装在后端面上,所述拓扑声子晶体在所述单端口声波导中分成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共振单元二维平面旋转角为21˚,所述下半区域拓扑声子晶体的共振单元二维平面旋转角为-39˚;
所述吸声海绵安装在后端面上。
进一步的,所述单端口声波导通过环氧树脂或者尼龙制成;所述单端口声波导采用3D打印或者注塑工艺制成。
进一步的,所述共振单元通过环氧树脂或者尼龙制成;所述共振单元采用3D打印或者注塑工艺制成。
进一步的,所述吸声海绵采用聚氨酯泡沫塑料制成。
进一步的,所述共振单元的个数为40个。
有益效果:本发明利用了声学谷投影拓扑边界态的无背向散射以及谷投影物理本质等特点,实现了对语音频段声波的双频段高指向性接收,可应用于智能机器人,实现抗干扰高保密声通讯功能。
本发明提出的声学接收天线具备双工作频段、尺寸小、重量轻、便于携带等特点,对两个独立宽频段的声信号具有高指向性接收作用,为语音频段的声信号指向性抗干扰保密传输提供了一种可行的解决办法,可以应用于人工智能机器人等领域。
附图说明
图1为本发明的拓扑声波接收天线的结构图。
图2 (a)为共振单元二维平面旋转角度为-9˚情况下的初基元胞结构示意图;
图2(b)为沿着第一布里渊区高对称点路径得到的色散曲线,第一布里渊区如插图所示;
图3 (a)为共振单元二维平面旋转角为21˚情况下的初基元胞结构示意图;
图3 (b)为图3 (a)中结构对应的色散曲线;
图3 (c)为共振单元二维平面旋转角为-39˚情况下的初基元胞结构示意图;
图3 (d)为图3 (c)中结构对应的色散曲线;两种拓扑声子晶体在每个带隙中具有相反的谷陈数并被分别标注在图3(b)和图3(d)中;
图4 (a)为带状拓扑声子晶体及边界的结构示意图;
图4 (b)为相应的色散曲线。
图5(a)为工作频率为1.7 kHz时天线接收从指定角度信号源捕获声能量的场分布,白色虚线箭头代表理论接收角;
图5(b)为同一工作频率但信号源位于非指定角度时的场分布;
图5(c)为工作频率为1.7 kHz时声能量指向性接收的动量空间原理图;
图5(d)为工作频率为2.4 kHz时天线接收从指定角度信号源捕获声能量的场分布,白色虚线箭头代表理论接收角;
图5(e)为同一工作频率但信号源位于非指定方向时的场分布;
图5(f)为工作频率为2.4 kHz时声能量指向性接收的动量空间原理图;
图6(a)对应的工作频段为1.6 ~ 1.85 kHz;
图6(b)对应的工作频段为2.2 ~ 2.5 kHz,白色虚线为理论接收角。
附图标记列表:单端口声波导1、左侧面101、上侧面102、下侧面103、后端面104、拓扑声子晶体2、吸声海绵3、共振单元4、上半区域拓扑声子晶体5、下半区域拓扑声子晶体6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1,根据图1-图6(b)作进一步解释说明。
本发明提供一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,包括单端口声波导1、拓扑声子晶体2以及吸声海绵3;
所述单端口声波导1为平行四边形结构,所述单端口声波导1包括左侧面101、上侧面102、下侧面103以及后端面104,所述左侧面101、上侧面102以及下侧面103分别垂直安装在后端面104的左端、上端以及下端,所述左侧面101上端和下端分别与所述上侧面102和所述下侧面103连接,所述上侧面102、下侧面103与左侧面101均为长方形板,所述单端口声波导1的右侧面为开放端口;上侧面102、下侧面103以及后端面104的长度分别为36 cm,36 cm和82.3 cm,单端口声波导1的壁厚为1 cm,高度为7 cm,即左侧面101、上侧面102、下侧面103的壁厚为1 cm,高度为7 cm。
所述拓扑声子晶体2包括至少两个共振单元4,拓扑声子晶体2的个数为20个,所述共振单元4呈迷宫型,共振单元4高为7 cm,晶格常数为8 cm;所述共振单元4包括三个120°的扇形曲折的声波导,其中声波导的壁厚为0.304 cm,宽度为0.608cm,内径为0.304 cm,外径为3.04 cm,所述共振单元4固定安装在后端面104上,所述拓扑声子晶体2在所述单端口声波导1中分成上半区域拓扑声子晶体5和下半区域拓扑声子晶体6;所述上半区域拓扑声子晶体5的共振单元4二维平面旋转角为21˚,所述下半区域拓扑声子晶体6的共振单元4二维平面旋转角为-39˚;这两种在任一带隙都具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了声波拓扑边界。
所述吸声海绵3安装在后端面104上。
所述单端口声波导1通过环氧树脂或者尼龙制成,所述单端口声波导1采用3D打印或者注塑工艺制成;所述共振单元4通过环氧树脂或者尼龙制成,所述共振单元4采用3D打印或者注塑工艺制成;所述吸声海绵33采用聚氨酯泡沫塑料制成;所述吸声海绵33的厚度为4 cm。
参见图1,单端口声波导1俯视图呈平行四边形,上侧、下侧和后端长度分别为36cm,36 cm和82.3 cm,前端开口,单端口声波导1壁厚为1 cm,高度为7 cm。下一步,将20个拓扑声子晶体2中的共振单元4按照相应的位置和旋转角度布置在单端口声波导1中,共振单元4高为7 cm,晶格常数为8 cm。共振单元4由三个120˚的扇形曲折的声波导构成,其中声波导的壁厚为0.304 cm,宽度为0.608cm,内径为0.304 cm,外径为3.04 cm。单端口声波导1的上半区域布置二维平面旋转角为21˚的共振单元4,下半区域布置二维平面旋转角为-39˚的共振单元4,这两种在任一带隙都具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了双频段的声波拓扑界面。最底层的共振单元4中心到单端口声波导1左侧边界的距离为6.93 cm, 到单端口声波导1下侧边界的垂直距离为3.46 cm,沿着三角晶格基矢 a 1a 2 进行平移可得到剩余十九个拓扑声子晶体2具体位置。最后,将厚度为4 cm声学吸声海绵3层包覆在单端口声波导1后端。
参见图2(a)-图2(b),对于由旋转角为9˚的共振单元4组成的拓扑声子晶体2,在其第一布里渊区的高对称点的不同频率上会得到能带简并的两个狄拉克锥,狄拉克锥的频率分别为1.745 kHz和2.385 kHz。接下来通过对共振单元4进行顺时针和逆时针的旋转来产生在任一带隙都具有不同谷陈数的两种拓扑声子晶体2。
参见图3(a)-3(d),通过将共振单元4顺时针旋转得到旋转角为21˚的共振单元4如图3(a)所示,由这种共振单元4形成的拓扑声子晶体2的色散曲线如图3(b)所示,此时原有的两个不同频率的狄拉克锥均被打破,分别在不同的频率范围形成了体能带带隙,这种拓扑声子晶体2的低频带隙对应的谷陈数为,高频带隙对应的谷陈数为。图3(c)中旋转角为-39˚的共振单元4对应的拓扑声子晶体2具有和图3(a)中拓扑声子晶体2相同的带隙,但是其谷陈数相反,低频带隙对应的谷陈数为,高频带隙对应的谷陈数为
参见图4(a)-图4(b),利用图3(a)-3(d)中所述两种共振单元4构造声子晶体,上半部由21˚旋转角的共振单元4组成,下半部由-39˚旋转角的共振单元4组成, x方向为周期边界的带状拓扑声子晶体2如图4(a)所示,图4(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,对于低频带,由于在K点的谷陈数变化为,所以K谷投影的拓扑边界态将向负方向传播;而在点,谷陈数变化为,所以谷投影的拓扑边界态将向正方向传播;对于高频带,情况则完全相反,此时K点的谷陈数变化为, 点谷陈数变化为,所以K谷投影的拓扑边界态将向正方向传播而谷投影的拓扑边界态将向负方向传播。
下面进一步通过实例对本发明进行详细说明。
参见图5(a)-图5(f),将本发明的双频段高指向性拓扑声波接收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1.7 kHz和2.4 kHz的声波分别沿指定接收角从自由空间中耦合到所述拓扑边界后的场分布,声波接收天线的声波导入射端口面沿水平方向。由仿真结果可知,本发明的拓扑天线可沿角度 β Lβ H实现对低、高两个语音频段声波的高指向性接收,而对于另外的入射角度输出的信号,则不会被天线所捕捉。这种接收功能源于谷投影的边界态,具体的,对于低频段,由于进入拓扑边界上声波沿负向传播,所以本实例中低频拓扑边界态是由K谷投影得到;对于高频段,相应拓扑边界态则是由谷投影得到。为了得到入射声波的接收角,在图5(c)和图5(f)中等比例画出了拓扑声子晶体2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)。接收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,其中 K表示入射波矢, k表示自由空间波矢, e term是入射端边界的单位方向矢量, 入射端口面方向由点虚线表示。理论计算出低频(高频)接收角 β L 32.8°( β H  = 129.4°),并以白色虚线箭头和黑色实线箭头分别标注在图5(a)(图5(d))和图5(c) (图5(f))中。
参见图6(a)-图6(b),对本发明的双频段高指向性拓扑声波接收天线的宽频功能的进一步说明,可见在范围为1.6 ~ 1.85 kHz和2.2 ~ 2.5 kHz的工作频段内,经过所设计的声波接收天线接收到的声波均具有良好的指向性,白色虚线表示理论计算的接收角,与仿真结果一致。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,其特征在于:包括单端口声波导(1)、拓扑声子晶体(2)以及吸声海绵(3);
所述单端口声波导(1)为平行四边形结构,所述单端口声波导(1)包括左侧面(101)、上侧面(102)、下侧面(103)以及后端面(104),所述左侧面(101)、上侧面(102)以及下侧面(103)分别垂直安装在后端面(104)的左端、上端以及下端,所述左侧面(101)上端和下端分别与所述上侧面(102)和所述下侧面(103)连接,所述上侧面(102)、下侧面(103)与左侧面(101)均为长方形板,所述单端口声波导(1)的右侧面为开放端口;
所述拓扑声子晶体(2)包括共振单元(4),所述共振单元(4)呈迷宫型,所述共振单元(4)包括三个120°的扇形曲折的声波导,所述共振单元(4)固定安装在后端面(104)上,所述拓扑声子晶体(2)在所述单端口声波导(1)中分成上半区域拓扑声子晶体(5)和下半区域拓扑声子晶体(6);所述上半区域拓扑声子晶体(5)的共振单元(4)二维平面旋转角为21˚,所述下半区域拓扑声子晶体(6)的共振单元(4)二维平面旋转角为-39˚;
所述吸声海绵(3)安装在后端面(104)上。
2.根据权利要求1所述的一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,其特征在于:所述单端口声波导(1)通过环氧树脂或者尼龙制成;所述单端口声波导(1)采用3D打印或者注塑工艺制成。
3.根据权利要求1所述的一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,其特征在于:所述共振单元(4)通过环氧树脂或者尼龙制成;所述共振单元(4)采用3D打印或者注塑工艺制成。
4.根据权利要求1所述的一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,其特征在于:所述吸声海绵(3)采用聚氨酯泡沫塑料制成。
5.根据权利要求1所述的一种双频段高指向性的拓扑声波接收天线,其特征在于:所述共振单元(4)的个数为40个。
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