一种可高效率传输人工声表面波的声波导及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可高效率传输人工声表面波的声波导及其设计方法，由矩形槽单元结构和一个额外的过渡结构组成，均为金属材料制成。矩形槽单元结构具有亚波长的厚度，通过调整槽的宽度、深度和厚度可以改变人工声表面波的传输特性，同时过渡结构可以在一个宽频带内将来自声源的体积波高效率的转化成人工声表面波。该声波导不仅能够高效率传输人工声表面波，还可以同时实现对体积波和表面波的高效率转化，可以降低传统声表面波器件的成本，促进声表面波器件和声学器件的发展。

An Acoustic Waveguide with High Efficiency for Propagating Artificial Surface Acoustic Waves and Its Design Method

The invention discloses an acoustic waveguide capable of transmitting artificial surface acoustic wave efficiently and a design method thereof, which consists of a rectangular groove unit structure and an additional transition structure, all made of metal materials. The rectangular groove element structure has the thickness of sub-wavelength. The transmission characteristics of SAW can be changed by adjusting the width, depth and thickness of the groove. Meanwhile, the transition structure can transform the volume wave from the sound source into SAW efficiently in a broadband. The waveguide can not only transmit SAW efficiently, but also transform volume wave and surface wave efficiently. It can reduce the cost of traditional SAW devices and promote the development of SAW devices and acoustic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种可高效率传输人工声表面波的声波导及其设计方法
本专利技术属于人工声表面波、声学器件和新型人工声学材料领域，具体涉及一种能够高效率产生人工声表面波，同时调控其传输特性的声波导。
技术介绍
传统的声表面波(surfaceacousticwaves，SAW)，泛指在弹性自由表面产生并沿表面或界面传播的各种模式的波，包括瑞丽波(Rayleighwave)、勒夫波(Lovewave)等，通常根据SAW的振动方式、向弹性固体内部的渗透深度和所使用的边界条件来区分其类型与模式。这种声表面波的传播特性取决于其传输介质的材料参数。如今采用压电材料所制成的SAW器件已经广泛的应用于我们的日常生活中。例如，SAW的振幅和传播速度极易受到材料参数的影响，利用这一特点可以制作出温度、压力等传感器。此外，利用SAW的传播特性，也可以制作滤波器、混频器等处理信号的器件，这些器件具有体积小、易于集成的优点。最近，随着新型声学材料的发展，声学超材料以其特异的特性已经成为人们研究的热点，声学超材料的出现为SAW器件和声学器件提供了新的发展契机。声学超材料的概念来源于电磁超材料，均通过将精心设计的结构单元进行周期性或者非周期性的排布可以实现许多自然界材料所无法实现的声学和电磁特性，例如逆多普勒现象、负折射率、超分辨率成像等。不同于传统材料，声学超材料设计往往不会受到材料体系的制约，具有极高的灵活性，可以通过基体材料的选择以及结构单元的设计，实现传统材料所不能达到或难以实现的功能。在声学超材料的理念的启发下，一种新的声表面波——人工声表面波(spoofSAW，SSAW)引起了研究者的注意，这种SSAW沿着人工周期性结构的表面传播，其传播特性取决于该周期性结构的几何参数。这些周期性结构具有亚波长的尺寸，通过调整这些周期性结构的几何参数可以调整SSAW的色散特性，进而达到调整其传播特性的目的。2014年，HanJia等人发现，通过在金属板上切割出宽度逐渐加深而深度相同的矩形槽，可以实现将不同频率的SSAW分离的目的。2013年，YangtaoYe等人发现，在金属板上打孔，通过控制这些孔的尺寸，可以实现聚焦SSAW的目的。这些研究均表明，SSAW可以成为调控声波的全新方式。但是，现有的SSAW器件往往非常厚而且体积庞大，不易于集成，这极大的限制了SSAW器件的发展。
技术实现思路
为了降低传统SAW器件的成本，促进SAW器件和声学器件的发展，提出了一种可高效率传输人工声表面波的声波导及其设计方法，在声学领域具有极高的应用前景。本专利技术公开了一种可高效率传输人工声表面波的声波导，包括声传输线结构和设置在声传输线结构两侧的过渡装置，所述声传输线结构包括沿线性排布的若干矩形槽单元，所述过渡装置包括中空矩形管道和渐变结构，所述渐变结构包括深度依次加深的矩形槽和弧形结构的金属板，该金属板设置在矩形槽上端，且该渐变结构与声传输线结构相连。其中，声传输线结构和过渡装置均为金属件。其中，矩形槽单元结构具有亚波长的厚度。本专利技术还公开了一种可高效率传输人工声表面波的声波导设计方法，包括以下步骤：S1：根据声波的工作频率，仿真满足工作频段的矩形槽单元的结构尺寸；S2：根据所需声波导的尺寸，将矩形槽单元结构沿线性排布；S3：通过调控矩形槽单元结构的尺寸和数量，控制人工声表面波的传播特性；S4：根据矩形槽单元的尺寸，确定过渡结构的尺寸。调整矩形槽单元的几何尺寸，能控制人工声表面波的传输特性，过渡结构可以高效率的将体积波转化成人工声表面波。有益效果：本专利技术与现有技术相比，本专利技术的声波导具有亚波长的厚度，不仅能够实现对于人工声表面波传输特性的调控，该声波导还可以通过一个过渡装置高效率的生成人工声表面波，促进声表面波器件的发展，在声学器件领域具有极高的应用前景。附图说明图1为本专利技术的矩形槽金属单元结构三维结构图。图2为本专利技术的不同的厚度的矩形槽单元结构的色散曲线。图3为本专利技术的不同的宽度的矩形槽单元结构的色散曲线。图4为本专利技术的不同的深度的矩形槽单元结构的色散曲线。图5为本专利技术的声波导的整体结构示意图。图6为5500Hz时，声波导表面2mm处的声场分布测试结果。图7为5800Hz时，声波导表面2mm处的声场分布测试结果。图8为6100Hz时，声波导表面2mm处的声场分布测试结果。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步阐述本专利技术。实施例1本实施例的一种可高效率传输人工声表面波的声波导，由矩形槽单元结构和一个额外的过渡结构组成。矩形槽单元结构具有亚波长的厚度，其结构如图1所示，通过在金属板表面雕刻出矩形凹槽制成，矩形槽单元结构的材料可以为黄铜、铝合金等金属材料。人工声表面波的传输特性主要由支持该表面波的周期性单元结构的几何参数决定，可以通过分析单元结构的色散曲线观察单元结构的几何参数对人工声表面波传输特性的影响。这里，通过调整矩形槽的宽度、深度和厚度可以改变矩形槽单元结构的色散曲线。图2、图3和图4分别为不同厚度、不同宽度和不同深度的矩形槽单元结构的色散曲线。由图2可以看出，随着矩形槽厚度逐渐增加，矩形槽单元结构的截止频率逐渐降低。同时不同厚度的矩形槽单元结构的色散曲线均位于声线的右侧，也即具有一定厚度的矩形槽单元结构均具有约束人工声表面波的能力。同时，从图3和图4可以看出，矩形槽单元结构的宽度和深度均会影响其色散曲线，具体来说，更宽的槽宽和更深的槽深所对应的矩形槽具有更低的截止频率，也就对人工声表面波具有更好的约束性。基于上述分析，可以通过合理的设计矩形槽的厚度、宽度和深度来改变矩形槽单元结构的色散曲线，从而改变矩形槽单元结构所支持的人工声表面波的传输特性。将矩形槽单元结构沿着线性方向阵列排布就得到一个支持人工声表面波传播的声传输线结构。由于人工声表面波和体积波之间存在巨大的阻抗不匹配，这导致两种声波之间的耦合效率很低，从而极大地降低了器件的工作效率。为了实现这两种声波之间的阻抗匹配，必须设计一个过渡装置。图5为本专利技术所设计的声波导的整体结构图，包括由矩形槽单元结构所组成的声传输线结构l3和本过渡装置。该过渡装置由l1和l2两部分组成，在声传输线结构的左右两侧各有一个。其中l1为一个中空矩形管道，内部放置一个喇叭作为声源；l2为一个渐变结构，包括一系列深度从10mm到30mm逐渐加深的矩形槽以及一个弧形结构的金属板，厚度与声传输线相同。该渐变结构可以实现来自声源的空间波和声传输线所支持的人工声表面波之间的阻抗匹配。本专利技术所涉及的过度结构的材料同样可以为黄铜、铝合金等金属材料。根据图5所示声波导的几何设计和材料构成，加工制备一个声波导，并对所得到的样品进行近场测试。最后所得到的声波导表面2mm处的声场分布图如图6、图7和图8所示。从图中可以看出，从5500Hz到6100Hz，声波导均展示出了对人工声表面波的极佳的约束性。在图中，来自声源的空间波除了一部分扩散到空气中外，大部分被转化成了人工声表面波，同时可以看出人工声表面波沿着矩形槽单元结构表面传播，在矩形槽单元结构外声场很弱。由于在三个频率内，声波导均能将空间波高效率的转化成人工声表面波，并支持其沿着矩形槽单元结构表面传播，这表明该声波导具有一定的工作带宽。如图1所示，令矩形槽单元结构的周期为p，深度为h，宽度为w。矩形槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可高效率传输人工声表面波的声波导，其特征在于：包括声传输线结构和设置在声传输线结构两侧的过渡装置，所述声传输线结构包括沿线性排布的若干矩形槽单元，所述过渡装置包括中空矩形管道和渐变结构，所述渐变结构包括深度依次加深的矩形槽和弧形结构的金属板，该金属板设置在矩形槽上端，且该渐变结构与声传输线结构相连。

【技术特征摘要】
1.一种可高效率传输人工声表面波的声波导，其特征在于：包括声传输线结构和设置在声传输线结构两侧的过渡装置，所述声传输线结构包括沿线性排布的若干矩形槽单元，所述过渡装置包括中空矩形管道和渐变结构，所述渐变结构包括深度依次加深的矩形槽和弧形结构的金属板，该金属板设置在矩形槽上端，且该渐变结构与声传输线结构相连。2.根据权利要求1所述的一种可高效率传输人工声表面波的声波导，其特征在于：所述声传输线结构和过渡装置均为金属件。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，曹文康，吴利婷，张琤，柯俊臣，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32