CN117174065A - 一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，方法步骤如下：Step1、设计可激发Mie共振的声学器件，该声学器件为具有基于低频的空间折叠结构的声学器件；Step2、选取数组Step1中的声学器件进行二维阵列分布，用声学器件的阵列控制平面波，在不改变声源的情况下，使平面波定向传播。本发明提出一种可以激发Mie共振的结构器件，然后提出二维阵列的方案，用器件的阵列控制平面波，在不改变声源的情况下，可使平面波可以定向传播，同时有增强了所需方向的声音强度。使声音有准直效果，是一种非常有用的方法。
Description
技术领域
本发明涉及声准校正技术领域，尤其涉及一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法。
背景技术
人类目前可以利用基于声学折叠空间的声学器件与声波间的相互作用能够实现对声波发射、传播以及接收过程的多种调控，实现了如低频声波强反射、声彩虹俘获以及实现声传感接收指向性等多种功能。国内第一款实现声准直效果的设备是创于2017年6月的清文科技团队研发的一款能定向传播声音的设备“定向听博士”——能像控制光束一样去控制声音，他们主要用于防止博物馆同一展厅内的不同展品解说词之间的相互干扰。目前国际上实现声音的准直主要有4种主流方法：一.利用音罩加强指向性。二.利用号角加强指向性。三.使用“线性阵列”加强指向性。四.使用超声波扬声器加强指向性。其中效果最好的是超声波，但目前使用此技术的设备的声音品质比较差，由于超声波频率较高，所以音频信号只能是高频，声音听起来比较尖，应用在消费领域让消费者难以接受。因此，本发明提出一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，基于声学折叠空间的二维阵列与其共振特性仅依赖于材料本身的参数和阵列的排布方式，具有更好的灵活性和可调性，从原理上避免了此类问题，因此是实现声波的指向性调控的不二之选。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，从设计声学折叠空间结构出发，设计了一种可以激发Mie共振的结构声学器件，然后提出二维阵列的方案，用声学器件的阵列控制平面波，在不改变声源的情况下，可使平面波可以定向传播，同时有增强了所需方向的声音强度，使声音有准直效果，是一种非常有用的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，方法步骤如下：
Step1、设计可激发Mie共振的声学器件，该声学器件为具有基于低频的空间折叠结构的声学器件；
Step2、选取数组Step1中的声学器件进行二维阵列分布，用声学器件的阵列控制平面波，在不改变声源的情况下，使平面波定向传播。
优选的，Step1中，空间折叠结构为半径为r1的迷宫结构被分为八个通道，每个通道都呈现由实心壁形成的锯齿形折叠通道。
优选的，每组声学器件均有两个对称分布，组与组之间平行分布且夹角均为θ，0°＜θ＜90°，每组中位于同一侧相邻的两个声学器件相切设置，平面波沿第一组声学器件之间水平射入。
优选的，空间折叠结构的半径r1＝40mm，通道的宽度w＝2mm，折叠通道的折叠次数x＝8，通道的厚度t＝1.5mm；θ＝45°，平面波与第一组声学器件的距离d＝150mm，声学器件的组数n＝2，第一组中的两个声学器件之间的距离s＝352mm。
优选的，空间折叠结构的材料选用环氧树脂，平面波的传输介质选用空气。
优选的，Step2中还包括有通过控制变量法对参数θ、d、n以及s逐一进行优化；
具体的优化方法为：首先设置在距离空间折叠结构中心前方500mm处一个二维截点a点；
其他变量不变，将s设置为[200,1,400]，进行参数化扫描，生成在不同的s关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同s下a点频率声压图的最大值，记录下此时的s；
其他变量不变，将d设置为[50,1,200]，进行参数化扫描，生成在不同的d下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同d下a点频率声压图的最大值，记录下此时的d；
其他变量不变，将s设置为[0,1,90],进行参数化扫描，生成在不同的θ下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同θ下a点频率声压图的最大值，记录下此时的结构夹角θ；
其他变量不变，将n设置为[1,1,10],进行参数化扫描，生成在不同的n下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同n下a点频率声压图的最大值，记录下此时的n。
优选的，Step2中，两组声学器件结构相同，但是第一组声学器件中空间折叠结构的半径r1、w、t均为第二组中数值大小的0.75倍。
优选的，平面波的传输介质选用水；两组声学器件结构及尺寸均相同，其中，空间折叠结构的半径r1＝180mm，通道的宽度w＝9mm，折叠通道的折叠次数x＝8，通道的厚度t＝6.75mm；θ＝45°，平面波与第一组声学器件的距离d＝150mm，声学器件的组数n＝2，第一组中的两个声学器件之间的距离s＝1408mm。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明创造性的提出用声学折叠空间二维阵列方法，本质上是利用高折射率，亚波长结构来实现声准直光束效果，并且不对声源进行改变，适用范围更广。
(2)本发明提出的声学折叠空间声学器件的效果仅依赖于其声学器件本身的参数和阵列的组合，相比于其他对声音的定向方法，其原理简单，可针对所需频率和范围进行灵活调节。
(3)本发明提出声学折叠空间二维阵列的声准直方法，可适用于多种介质中。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例中起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1为本申请实施例中声学折叠晶胞结构的二维示意图；
图2为本发明中不同组数的声学器件和平面波排列俯视图；
图3为实施例一中声学折叠空间二维阵列的准直光束效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例一
本申请提出一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，具体的方法如下：
(1)设计可以激发Mie共振的结构器件-具有基于低频的空间折叠结构的声学器件
首先提出一种基于低频的空间折叠结构来实现声定向辐射，晶胞的二维(2D)示意图如图1所示。空间折叠结构为半径为r1的迷宫结构，其被分为八个通道，每个通道都呈现由实心壁形成的锯齿形折叠通道。在诸如空气之类的背景介质中，实心壁迫使声波沿着Z字形通道传播。因此，声波的实际路径长度增加了。设计的空间折叠结构各参数分别为：半径r1；通道宽度w；壁的厚度t。
(2)取至少一组(1)中设计的声学器件，声学器件和平面波排列成如图2所示的样式，且平面波沿水平方向发出。
在仿真软件中，我们首先定义变量，使用结构半径为r1,通道宽度为w,框架厚度为t，折叠次数为x，材料设置为环氧树脂的元器件，环氧树脂具有大阻抗、大刚度模量等特点。将沿水平方向对称分布的两个声学器件称为一组声学器件，组与组之间的夹角记为θ,0°＜θ＜90°，每组中位于同一侧相邻的两个声学器件相切设置，将平面波与第一组声学器件的距离设为d，第一中的两个声学器件之间的距离设为s(如图2)，选取空气作为背景介质，模拟在空气中平面波的声准直光束。
随后确定初始条件：结构半径r1设为40mm,通道宽度w设为2mm,通道厚度t设为1.5mm,折叠次数x＝8。我们将4组声学器件紧密结合并垂直放置在平板上，s设为300mm,θ大小设为30°，平面波长度设置为130mm2，距离d设为100mm，方向沿水平方向入射。
(3)进行测试优化
对平面波的频率范围100Hz-5000Hz进行扫频，通过观察表面声压强度大小图可确定出该声学器件在1250Hz-1280Hz可使平面波呈现长度约为30λ的含旁瓣的低指向性的准直光束(如图3(A)所示)。
通过控制变量法对所定义的变量参数逐一进行优化：
首先设置在距离空间折叠结构中心前方500mm处一个二维截点a点。
1.为确定最佳的s，我们在保证其他变量不变的情况下，将s设置为[200,1,400](s从200mm步长为1mm逐步增加到400mm)，进行参数化扫描，生成在不同的s关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同s下a点频率声压图的最大值，记录下此时的s。
2.为确定最佳的平面波与第一组的最佳距离d，我们在保证其他变量不变的情况下，将d设置为[50,1,200]，进行参数化扫描，生成在不同的d下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同d下a点频率声压图的最大值，记录下此时的d。
3.为确定最佳的结构夹角θ，我们在保证其他变量不变的情况下，将s设置为[0,1,90],进行参数化扫描，生成在不同的θ下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同θ下a点频率声压图的最大值，记录下此时的结构夹角θ。
4.为确定最佳的声学器件组数n，我们在保证其他变量不变的情况下，将n设置为[1,1,10],进行参数化扫描，生成在不同的n下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同n下a点频率声压图的最大值，记录下此时的n。
最终得到，该结构在s＝352mm,d＝150mm,θ＝45°,n＝2时平面波呈现出宽频(1250Hz-1300Hz)的长度约为55λ的无旁瓣的高指向性的准直光束(如图3(B)所示)。
通过上述参数优化可以发现，改变夹角θ、s和d的大小可以改变波束的宽度和波束的传播距离和旁瓣的大小。夹角θ的大小与波束的宽度成反比，与旁瓣的大小成正比。s的大小与准直距离成反比，与旁瓣大小成反比。d过大和过小都会引起旁瓣的增大。通过增加声学器件组数n可以加强对声波的约束效果。n与约束效果成正相关。但从经济角度考虑，n＝2的时候约束效果相对最佳。
实施例二
本实施例与实施例一采用了相同的发明构思，其与实施例一的区别之处在于：本实施例中的两组声学器件中，第一组声学器件的尺寸缩小0.75但倍结构不变，第二组声学器件尺寸及结构不变，通过对频率进行扫描发现，平面波呈现出宽频(1570Hz-1650Hz)的长度约为30λ的弱旁瓣的高指向性的准直光束。由于每一种声学器件只对应一种频率范围，可以用拥有不同折叠结构的声学器件进行组合就可以对所需的带宽进行调节。另外，本实施例通过实验发现：通过改变折叠结构的相对折射率(调整通道宽度w，框架厚度t，折叠次数x)和结构的半径r1可以改变入射波对应的特征频率。相对折射率越大，半径r1越大，频率就越低，反之亦然。
实施例三
本实施例与实施例一采用了相同的发明构思，其与实施例一的区别之处在于：本实施例选取水作为背景介质，模拟在水中平面波的声准直光束。由于常温下，声音在水中的传播约是空气中的4.5倍，所以当声学器件的尺寸扩大4.5倍，s扩大4.5倍，d保持不变时，平面波呈现出宽频(9320Hz-9360Hz)的长度约为55λ的无旁瓣的高指向性的准直光束)，仍有良好的准直效果。
综上，本发明提出的基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，能够在不改变声源的情况下，实现平面波的准直效果，同时也使用无源声学器件，降低了有源发射器所需的功率，效果明显。由于其原理特性仅依赖于材料本身的参数和排列组合的方式，更具有灵活性和可调性。
申请人申明，本发明通过上述实例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所述技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明原料的等效变换及辅助成分的添加、具体条件和方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，方法步骤如下：
Step1、设计可激发Mie共振的声学器件，该声学器件为具有基于低频的空间折叠结构的声学器件；
Step2、选取数组Step1中的声学器件进行二维阵列分布，用声学器件的阵列控制平面波，在不改变声源的情况下，使平面波定向传播。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，Step1中，空间折叠结构为半径为r1的迷宫结构被分为八个通道，每个通道都呈现由实心壁形成的锯齿形折叠通道。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，每组声学器件均有两个对称分布，组与组之间平行分布且夹角均为θ，0°＜θ＜90°，每组中位于同一侧相邻的两个声学器件相切设置，平面波沿第一组声学器件之间水平射入。
4.根据权利要求3所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，空间折叠结构的半径r1＝40mm，通道的宽度w＝2mm，折叠通道的折叠次数x＝8，通道的厚度t＝1.5mm；θ＝45°，平面波与第一组声学器件的距离d＝150mm，声学器件的组数n＝2，第一组中的两个声学器件之间的距离s＝352mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，空间折叠结构的材料选用环氧树脂，平面波的传输介质选用空气。
6.根据权利要求4所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，Step2中还包括有通过控制变量法对参数θ、d、n以及s逐一进行优化；
具体的优化方法为：首先设置在距离空间折叠结构中心前方500mm处一个二维截点a点；
其他变量不变，将s设置为[200,1,400]，进行参数化扫描，生成在不同的s关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同s下a点频率声压图的最大值，记录下此时的s；
其他变量不变，将d设置为[50,1,200]，进行参数化扫描，生成在不同的d下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同d下a点频率声压图的最大值，记录下此时的d；
其他变量不变，将s设置为[0,1,90],进行参数化扫描，生成在不同的θ下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同θ下a点频率声压图的最大值，记录下此时的结构夹角θ；
其他变量不变，将n设置为[1,1,10],进行参数化扫描，生成在不同的n下关于a点的频率声压图，绘制在一张图像上，寻找在不同n下a点频率声压图的最大值，记录下此时的n。
7.根据权利要求5所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，Step2中，两组声学器件结构相同，但是第一组声学器件中空间折叠结构的半径r1、w、t均为第二组中数值大小的0.75倍。
8.根据权利要求3所述的一种基于声学折叠空间二维阵列的声准直方法，其特征在于，平面波的传输介质选用水；两组声学器件结构及尺寸均相同，其中，空间折叠结构的半径r1＝180mm，通道的宽度w＝9mm，折叠通道的折叠次数x＝8，通道的厚度t＝6.75mm；θ＝45°，平面波与第一组声学器件的距离d＝150mm，声学器件的组数n＝2，第一组中的两个声学器件之间的距离s＝1408mm。
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