一种方向可控的声增强透射器件制造技术

本发明专利技术提供了一种方向可控的声增强透射器件，包括声波发生装置、金属空心圆柱和水，圆柱声源发生装置位于金属空心圆柱中，用于发出柱面声波；所述金属空心圆柱浸没在水中，所述金属空心圆柱的内径r＝1.5μm～1.5m、外径R＝2.0μm～2.0m。所述声增强透射器件是基于空心柱状结构的声增强透射效应，金属空心圆柱外侧的声压幅值增大近20倍，且波形的传播方向不变；声增强透射的频率范围很广，使用的频率范围为100Hz～1GHz；通过调节金属空心圆柱内部圆柱声源发生装置的位置，能够控制声透射能量的大小、开关及出射方向。结构简单，尺寸适中，易加工，易集成，能够用于医学超声检测仪器、保密声通讯发射器、声波探测器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声学超材料领域，尤其是一种方向可控的声增强透射器件。
技术介绍
声波是现实生活中常见的能量载体，声波在传播过程中，会遇到各种反射物体，而受到影响，如果声波经过反射物体时，声波能透过反射物体，且声透射能流密度得到进一步增强，即为声增强透射效应。如果声增强透射效应得以实现，则可运用到各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如:医学超声、保密通讯、声波探测等。因此，声增强透射器件的研究具有十分重要的学术价值及应用前景。实现声增强透射的结构主要有以下三种:第一种是设计浸没在流体中的周期性结构固体板结构，且在固体板上设置单个或周期性的孔缝，通过单个孔缝的Fabry-Perot共振效应，或者周期性的孔缝产生的表面衍射波与狭缝波导Fabry-Perot共振模式的耦合，可以获得声增强透射效应。第二种是设计浸没在流体中的两侧具有相同周期性栅格的固体板状结构，与第一种方法不同，该固体板状结构不存在任何孔缝，在一些特定频率下，声波通过固体板状结构会激发产生位移本征模式，从而透过固体板状结构，获得声增强透射效应，该机理与电磁波增强透射效应的等离激元机理类似。第三种是设计新型声超材料结构，如具有一定周期的铜板与空气组成的蜷曲空间结构，通过结构参数设计，使得蜷曲空间结构与外界空气的声阻抗相同，从而使得声波完全透过蜷曲空间结构，实现声增强透射效应。传统技术的缺点是:(I)在周期性固体板设计孔或缝的结构中，声增强透射效应源于表面衍射波和狭缝波导Fabry-Perot共振模式在结构表面的耦合，透射声能量主要集中在固体板结构表面，距离固体板较远处，几乎没有透射声能量，因此，透射声能量无法传播，从而无法加以利用。(2)上述三种声增强透射器件均为周期性结构，要获得声增强透射效应，需要一定的周期数，从而造成器件尺寸较大，结构较复杂，不易制造。(3)传统的声增强透射器件的声透射能量方向单一，无法控制透射能流的出射方向，在实际应用中有一定的局限性。
技术实现思路
针对传统声增强透射器件中的声透射能量集中在结构表面，结构复杂、尺寸大，声透射能量无法定向传播等缺陷，本专利技术提出一种声增强透射效果优异、频率覆盖范围宽、结构简单易实现、透射能量方向可控的声增强透射器件。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的。一种方向可控的声增强透射器件，包括圆柱声源发生装置、金属空心圆柱和水，所述金属空心圆柱浸没在水中，圆柱声源发生装置位于金属空心圆柱中，用于发出柱面声波；所述金属空心圆柱的内径r = 1.5 μπι?1.5m、外径R= 2.0 μm ~ 2.0m。优选地，所述圆柱声源发生装置位置可移动的设置在金属空心圆柱中。优选地，所述金属空心圆柱的材质为铜、铁、钢、铝、锌、金、银、镍中的一种或多种的合金材料。优选地，所述金属空心柱的截面形状为圆形或椭圆形。本专利技术的有益效果是:(I)声增强透射效果好将金属空心圆柱浸没在水中，金属圆柱的内外两侧均是水，在一些特定的频率，当圆柱声源从金属空心圆柱中心或者内部一些特定的位置向外辐射时，可以在金属空心圆柱外侧产生声增强透射效应。采用有限元方法数值模拟声波增强透射性能，证实本专利技术所提出的声增强透射器件，与自由空间相比，金属空心圆柱外侧的声压幅值增大近20倍，且波形的传播方向不变。(2)声增强透射的频率范围广本专利技术所提出的声增强透射器件，声增强透射的频率与金属空心圆柱的整体尺寸成反比，当金属空心圆柱整体缩小时，声增强透射频率增大，可高达近IGHz ;当金属空心圆柱尺寸放大时，声增强透射频率减小，可低至10Hz ;频率的范围在10Hz?IGHz之间，因此，声增强透射频率的范围很广。(3)可适用于不同形状的金属空心柱状结构本专利技术所提出的声增强透射器件，基于柱状结构的声增强透射效应，可采用圆形及椭圆形柱状结构，适用范围广。(4)声透射能量大小、开关、出射方向可控本专利技术所提出的声增强透射器件，可通过调节金属空心圆柱内部圆柱声源发生装置的位置，来控制声透射能量的大小、开关及出射方向。(5)器件结构简单，易加工本专利技术所提出的金属空心圆柱，是基于位移本征模式来实现声增强透射效应，与传统的基于位移本征模式声增强透射器件相比，结构简单，尺寸适中，易加工制备，易集成，有利于推广应用。本专利技术所述的声波增强透射器件，能够用于医学超声检测仪器(B超)、保密声通讯发射器、声波探测器。【附图说明】图1为本专利技术所述声波增强透射器件的三维结构示意图；图2声波增强透射器件的χ-y平面的二维截面图；图3频率为160.39kHz柱面声波激发(a)自由空间及(b)黄铜空心圆柱产生的声压振幅分布；图4频率为160.39kHz柱面声波激发(a)自由空间及(b)黄铜空心圆柱产生的声压相位分布；图5频率为160.39kHz柱面声波激发黄铜空心圆柱产生的位移变形图；图6频率为(a) 209.71kHz与(b) 259.02kHz圆柱声波激发黄铜空心圆柱产生的声压振幅分布；图7柱面声波激发黄铜空心圆柱产生的声压振幅分布:(a)R = 2.0 μπι，r =1.5 μ m，频率为 1603.9MHz ； (b) R = 2.0m, r = 1.5m，频率为 1604Hz ；图8柱面声波激发不同材料的空心圆柱产生的声压振幅分布:(a)钢圆柱，频率为160.58kHz ； (b)铝圆柱，频率为 161.53kHz ；图9频率为(a)67.84kHz与(b) 123.1lkHz柱面声波激发黄铜空心椭圆柱产生的声压振幅分布；图10频率为160.39kHz柱面声波激发黄铜空心圆柱产生的声压振幅分布:圆柱声源位置分别在空心圆柱内(a)A点(5.70mm，0)，(b)B点(8.17mm，0)；图11频率为134.81kHz柱面声波激发黄铜空心圆柱产生的声压振幅分布:圆柱声源位置分别在空心圆柱内(a)A点(3.1Omm, O), (b)B点(2.19mm，2.19mm)，(c)C点(0，3.10mm)；图12频率为106.47kHz柱面声波激发黄铜空心圆柱激发的声压振幅分布图:圆柱声源位置分别在空心圆柱内(a)A点(6.82mm,O), (b)B点(4.82mm,4.82mm) 0图中:1-圆柱声源发生装置，2-金属空心圆柱。【具体实施方式】下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术所述的声增强透射器件，包括圆柱声源发生装置1、金属空心圆柱2和水，圆柱声源发生装置I位于金属空心圆柱2中，所述金属空心圆柱2浸没在水中，所述金属空心圆柱2的内径r = 1.5 μπι?1.5m、外径R= 2.0 μm ~ 2.0m。所述声增强透射器件，基于环状结构的声增强透射效应，所述金属空心圆柱2的材质可选用为铜、铁、钢、铝、锌、金、银、镍或其合金材料，可采用空心圆柱及空心椭圆柱结构，即，所述金属空心柱2的截面形状为圆形或椭圆形。金属圆柱外侧的声压幅值增大近20倍，且波形的传播方向不变。声增强透射的频率范围很广，使用的频率范围为10Hz?IGHz0将所述圆柱声源发生装置I位置可移动的设置在金属空心圆柱2中，通过调节金属空心圆柱2内部圆柱声源发生装置I的位置，来控制声透射能量的大小、开关及出射方向。为了核实本专利技术所述声增强透射器件的声增强透射效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方向可控的声增强透射器件，其特征在于，包括圆柱声源发生装置(1)、金属空心圆柱(2)和水，所述金属空心圆柱(2)浸没在水中，圆柱声源发生装置(1)位于金属空心圆柱(2)中，用于发出柱面声波；所述金属空心圆柱(2)的内径r＝1.5μm～1.5m、外径R＝2.0μm～2.0m。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏祥，袁寿其，夏建平，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32