一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构制造技术

本发明专利技术提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，梯度折射率结构包括多块第一矩形板，中心均位于同一直线上，空间卷曲结构包括多块第二矩形板，底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块第二矩形板交错布置在两相邻的第一矩形板上，形成锯齿形通道，梯度折射率结构以及空间卷曲结构围成空腔。当声波传播到耦合结构中时，由于折射率的增加，传播的声波首先会被压缩进而增强，传播的声波被迫在锯齿形通道中传播，显著增加了声波的传播时间和传播距离，因此会形成低声速和高折射率，从而降低工作频率，其次共振腔中捕获和放大的声波被多次反射，可以进一步增强声波，实现声源定位。实现声源定位。实现声源定位。

【技术实现步骤摘要】
一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构


[0001]本专利技术涉及声源定位
，特别涉及一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构。

技术介绍

[0002]声源定位技术在结构健康监测、管道泄漏检测、水下声通讯等领域起着至关重要的作用。传统的声源定位方法利用传感器阵列拾取多通道信号并结合相应的阵列信号处理算法对声源进行识别和定位。然而，该方法的准确性受传感器数量和数据同步采集准确性的限制。为克服这些限制，国内外学者通过模仿苍蝇、蜥蜴等小型生物的听觉系统，对单传感器系统进行了大量研究并取得丰富成果。尽管如此，由于工作波长和体积大小之间的相互制约，单传感器系统无法形成紧凑的亚波长系统，极大的限制了其在工程领域的应用。更为重要的是，对于淹没在强背景噪声中的声音信号，无论是基于传感器阵列方法还是单传感器系统都无法对该声源进行检测乃至定位。对待检测声信号进行预放大可有效的消除背景噪声的干扰。如何实现声信号的预放大并实现亚波长声源定位，仍需深入研究。
[0003]近年来，声学超材料由于其独特的波操控性质受到了广泛关注。这些独特的性质为基于超材料声源定位技术的发展提供了广阔的前景。例如，具有各向异性声学响应的随机编码声学超材料和指向性声学超材料能够克服传感器数量的限制。再如，共振型声学超材料和高折射率型声学超材料可利用共振腔或高折射率区域捕获入射声波，实现待检声波的预放大。此外，局域共振型声学超材料和空间卷曲型声学超材料能够操控波长远大于其自身几何参数的声波，这使得声学超材料能够在亚波长尺度下工作。然而，在实际应用中，声源定位通常要求声学超材料在亚波长尺度同时具有良好的声压放大性能和灵敏的方向响应。目前大多数设计的声学超材料都只专注于单独实现某一种功能，不能满足声源定位的要求，尤其是对于一些微弱信号的定位更是难以实现。而利用两种或两种以上声学超材料结构进行耦合是解决这一问题的有效方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种利用梯度折射率结构和空间卷曲结构耦合而成的新型结构，能够在亚波长尺度下实现声源定位。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，所述梯度折射率结构包括多块第一矩形板，所述第一矩形板的中心均位于同一直线上，所述空间卷曲结构包括多块第二矩形板，所述第二矩形板的底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块所述第二矩形板交错布置在两相邻的所述第一矩形板上，形成锯齿形通道，所述梯度折射率结构的相邻两块第一矩形板以及空间卷曲结构的位于相邻两块第一矩形板之间的第二矩形板围成空腔。
[0006]进一步地，各块所述第一矩形板的长度相等、厚度相等、宽度依次增加。
[0007]进一步地，各块所述第二矩形板的尺寸相同。
[0008]进一步地，所述第二矩形板与对应的所述第一矩形板垂直连接。
[0009]进一步地，所述空腔的宽度D＝12mm。
[0010]进一步地，所述第一矩形板的长度L1＝100mm，厚度t＝8mm，宽度递增规律满足w
n
＝w1+(n
‑
1)
×
s，其中初始宽度w1＝22mm，w
n
为第n块第一矩形板的宽度，步长s＝2mm。
[0011]进一步地，所述第一矩形板的数量为30，即n的最大值为30。
[0012]进一步地，所述第二矩形板的长度L2＝100mm，宽度a＝7mm，厚度b＝2mm，相邻两块所述第二矩形板之间的距离c＝2mm。
[0013]进一步地，所述梯度折射率结构和所述空间卷曲结构的原材料均为光敏树脂，通过3D打印一体成型，其密度ρ＝1130kg/m3，弹性模量E＝2.65
×
103MPa，剪切模量G＝2.22
×
103MPa。
[0014]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0015]本专利技术提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，具有很好的声增强性能，有助于检测一些微弱声信号；
[0016]本专利技术提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，能操控波长远大于其自身几何参数的声波，能在亚波长尺度下工作；
[0017]本专利技术提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，对声音具有显著的方向响应，可用于声源定位；
[0018]本专利技术提供的用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构采用光敏树脂，通过3D打印成型，结构简单，制造方便，生产成本低，便于推广应用；
[0019]本专利技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的整体结构三维示意图；
[0021]图2为本专利技术的整体结构俯视图；
[0022]图3为本专利技术的单元结构示意图；
[0023]图4为本专利技术的压力比频率响应；
[0024]图5为本专利技术的压力场分布；
[0025]图6为本专利技术方向响应的模拟及实验示意图；
[0026]图7为本专利技术方向响应的归一化声压图；
[0027]图8为本专利技术声源定位的实验原理图。
[0028]【附图标记说明】
[0029]1‑
第一矩形板；2
‑
第二矩形板；3
‑
空腔。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。此外，下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0031]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0032]如图1
‑
图3所示，本专利技术的实施例提供了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，其中，梯度折射率结构由多块长度相等、厚度相等、宽度依次增加的第一矩形板1组成，各块第一矩形板1的中心均位于同一直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，包括梯度折射率结构和空间卷曲结构，所述梯度折射率结构包括多块第一矩形板，所述第一矩形板的中心均位于同一直线上，所述空间卷曲结构包括多块第二矩形板，所述第二矩形板的底部或顶部均在同一水平面上，且相邻两块所述第二矩形板交错布置在两相邻的所述第一矩形板上，形成锯齿形通道，所述梯度折射率结构的相邻两块第一矩形板以及空间卷曲结构的位于相邻两块第一矩形板之间的第二矩形板围成空腔。2.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，各块所述第一矩形板的长度相等、厚度相等、宽度依次增加。3.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，各块所述第二矩形板的尺寸相同。4.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述第二矩形板与对应的所述第一矩形板垂直连接。5.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述空腔的宽度D＝12mm。6.根据权利要求2所述的一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其特征在于，所述第一矩形板的长度L1＝100mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庭贵，王成勇，于德介，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：