空间声学调制器可由一组可控单元结构组成，每个单元尺寸约为目标频率声波波长的一半。空间声学调制器可与至少一个反馈信号相关联以实现对声场的有效调控。空间调制器单元包含一个固定在框架上的薄膜，一个贴于薄膜上的磁片，一个正对磁片且于磁片上方的电磁铁，一个置于薄膜上方的平台，其中磁片与电磁铁之间的电磁力能够使得薄膜与平台贴触。薄膜与平台保持一定的距离时为第一状态，与平台相贴触时为第二状态，从而通过改变相位因子对波场进行编码。
A binary spatial acoustic modulator for active reconstruction of sound field
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适用于声场主动重塑的二进制空间声学调制器
本专利技术涉及一种用于调控空气中传播的可听频域的声场分布的二进制相位调制器。它可以用来编码具有特定相位分布的声场，从而重塑声场的空间分布。采用基于实时测量的反馈机制和优化方案实现声场的局部优化。
技术介绍
从音乐厅到办公室，对于可听频域的声混响腔是非常常见的。由于混响场的复杂性，已有的用于调控可听频域混响场的方法只能提供非常有限的功能。改变一个房间的“声学质量”通常等于改变混响。传统上，实现混响效果的改变是通过添加有损材料(如减弱声音的天花板、地毯、窗帘等)增加房间的耗散，或者增加散射结构以增加模态密度。这也是为什么在建筑设计阶段必须考虑“音质”以满足房间的预定功能，而在建造完成后的改变通常意味着对室内装饰的彻底翻修。对混响声场的精确控制依旧是一个挑战。混响环境本质上是一个大而复杂的声腔。声学腔两个最重要的性质是它的本征模及质量因子。一个空腔的本征模是驻波，其特征是由一个以上的节点和反节点组成的空间模式。其直接后果是腔内声场密度分布不均匀。对于三维谐振腔，在更高的频率下模态密度更大。由于本征模的品质因子决定了模态的耗散，因此本征模存在一定程度的频率展宽。当频率足够高时，模态之间的频率间隔会非常接近。由于耗散引起的展宽效应，区分每个单独的模态变得不可能。基于以上这些原因，具有足够高频率的波将会同时激发多种模态。有了足够多的模态，它们之间的干涉最终会产生空间变化相对较小的波场。当这种情况发生时，空腔被认为处于混响状态。丰富的模态提供了非常大的自由度，对其调控能够改变腔内的波场分布。本质上，调控是通过改变各本征模的相位来实现的。通过改变相位，各模态间的干涉可以被调控成在一个或多个位置上是相干增强的或相干相消的，从而导致场强的增强或减少。这种调制相当于利用这些模态中的能量，在空间上实现重新分布以形成所需的模态。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新颖且优越的空间声学调制器，其包含固定在框架上的薄膜和放置在膜上方的平台，从而实现相位的调控和声场的重塑。在一个实施方案中,一个空间声场调制单元包含一个贴有薄膜的框架、贴于薄膜上的磁片、置于薄膜上方且正对薄膜的电磁铁以及一个置于薄膜上方的环状平台，磁片与电磁铁之间的磁力能够使得薄膜与其上方的环状平台相接触。在另一个实施方案中,一个声学装置包含一个框架、一个第一边界在框架上的薄膜、一个置于薄膜中心处的磁片以及一个置于磁片上方的电磁铁，这样一个声学装置利用电磁铁移动磁片从而具有两种不同的状态。在又一个实施方案中,一个空间声学调制器包含一个由多个单元构成的二维阵列、一个用于测量声场和提供反馈的探头以及一个根据反馈信号调控每一组单元所处的状态的微型控制器。其中每一个单元包含一个框架、一个第一边缘在框架上的薄膜、一个贴于薄膜中心处的磁片、一个置于磁片上方的电磁铁、一个薄膜上方的环状平台以及一个支撑电磁铁和环状平台的支架，磁片的运动使得薄膜与环状平台相贴，薄膜的第二边缘位于环状平台处。附图说明图1显示了根据本专利技术的一个实施方案的封闭声学环境中的空间声学相位调制器。图2显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器单元。图3显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器单元的横截面。图4显示了根据本专利技术的一个实施方案的处于断开和接通状态时的空间声学调制器单元。图5显示了根据本专利技术的一个实施方案的处于断开和接通状态时薄膜本征态的模拟振动剖面。图6显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器单元在断开和接通状态下的透射幅度系数和位相。图7显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器。图8显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器在优化位置处的谱响应。图9显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器在优化位置处创建的静音区。图10显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器经过多次实验在优化位置处的平均压降。图11显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器运用迭代方案实现的减小优化过程。图12显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器在优化位置处声压幅度的增强。图13显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器在优化位置处创建的强场区。图14显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器在优化位置的声压增强。图15显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器的在迭代方案的一个实施方案中的声压增强过程。图16显示了根据本专利技术的一个实施方案的空间声学调制器的超单元。具体实施方式本专利技术提供了一种新颖且有诸多优势的空间声学调制器，该空间声学调制器包括固定在框架上的薄膜和置于薄膜上方的平台，从而调控相位和重塑声场。本专利技术提供了一种可重塑的设备，称为空间声学调制器(SSM)，用于调控空气中复杂的声场，如混响声场。SSM通过对构成声场的足够多的模态的相位进行操作来实现其功能。本专利技术的SSM包括组元阵列，每个组元的切向尺寸为对应空气中声波波长的一半。每个组元至少可在两种状态之间切换，每一种状态的透射波或反射波均可具有不同的相位因子。这样一个具有两种状态的组元是一个二进制的SSM，理想状态下能够具有两个不同的位相因子0和π。为获得理想的输出声场，每一个组元通过优化机制与反馈信号相关联。本专利技术提供了一种能够对可听频域复杂声场重塑的声学装置。该设备本质上是一个声学相位调制器。它由一组二维的可重塑元件组成，其大小不超过空气中声波波长的一半。这些元件可在至少两种状态之间切换，每一种状态的透射波或反射波都有不同的相位因子。以可控的方式编码声波的位相因子以构建渴望的干涉效果，从而有效的调控复杂声场的空间分布。该设备通过优化机制与反馈交互。在实施时，使用具有主动可调的共振型薄膜超材料构造SSM。本专利技术中的SSM能够在一个现实的混响环境中产生静音区和强场区。图1示意给出了本专利技术中在一个密闭的声学环境内的声波空间位相调制器。如图1所示，一个传感器在声环境中对声音信号进行探测，并用于测量一些声因子，如压力幅值，然后反馈给执行优化机制的微控制器。微控制器通过调控相位调制器的状态来调控环境中的声场，从而在声环境中形成静音区或强场区。为了操纵本征模的相位，需要使用一个或多个相位调制器来控制足够数量的本征模，如图1所示。应选定一个或多个预定的目标以指导相位调制器的工作。应当有一个或多个置于相同环境内或不同环境内的反馈信号通过优化机制与相位调制器进行交互。图2示意给出了本专利技术中的空间声学调制器单元，图3显示了本专利技术中的空间声学调制器单元的横截面，图4显示了本专利技术中的空间声学调制器单元处于断开和接通两种不同的状态。特别是，图2显示了空间声学调制器的顶部视图，图4显示了空间声学调制器单元的底部视图。如图2-4，空间声学调制器单元100包括固定在框架250上的薄膜200，设置在薄膜200中心处的磁片300，置于磁片300上方且与磁片300正对的电磁体500。薄本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.主动可重塑声学装置，包括：/n一个在相同环境中通过改变可听频域声场的位相因子的分布而改变可听频域声场的空间分布的可重塑元件。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.主动可重塑声学装置，包括：
一个在相同环境中通过改变可听频域声场的位相因子的分布而改变可听频域声场的空间分布的可重塑元件。
2.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，能够改变可听频域声场的整体性质。
3.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，其可重塑元件的横向尺寸不大于空气中声波波长的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，其可重塑元件至少能够在两种状态间进行重塑。
5.根据权利要求4所述的主动可重塑声学装置，对于透射波和反射波而言，第二状态时的声波均具有一个与第一状态不同的位相因子。
6.根据权利要求4所述的主动可重塑声学装置，每一个可重塑元件具有多于两个可重塑状态，每种状态的相位因子更灵活，且它们在透射波或反射波中总覆盖至少一个相位差。
7.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，能够工作于透射模式或反射模式，或两者兼有。
8.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，其中可重塑元件至少包括位于不同位置的单个单元和多个子单元中的一个。
9.根据权利要求7所述的主动可重塑声学装置，其中透射模式指的是穿过该装置的声波被赋予特定的位相因子。
10.根据权利要求7所述的主动可重塑声学装置，其中反射模式指的是被该装置反射的声波被赋予特定的位相因子。
11.根据权利要求1所述的主动可重塑声学装置，与反馈信号相互关联。
12.根据权利要求11所述的主动可重塑声学装置，其可重塑元件的状态由反馈信号决定。
13.空间声学调制器单元，包括:
固定在框架上的薄膜；
放置在薄膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：马冠聪，沈平，范喜迎，马蒂亚斯·亚历山大·芬克，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81
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