本发明专利技术公开了一种测量声场局域态密度的装置及方法，测量装置包括声源、方形波导、MEMS硅麦克风以及声学矢量传感器；所述方形波导一端连接声源，另一端嵌入有与其内壁贴合的MEMS硅麦克风和声学矢量传感器。通过测量波导端面的质点振速，便能够得到由波导进入到被测结构的体积流率，结合MEMS硅麦克风得到的声压便可计算出被测结构的局域态密度。本发明专利技术利用矢量探测技术克服了无法精确测量狭窄区域内声源体积流率的难题，实现了声场局域态密度的实验测量，能够应用于声学结构材料的表征，并为声学辐射结构的设计提供指导。学辐射结构的设计提供指导。学辐射结构的设计提供指导。
【技术实现步骤摘要】
一种测量声场局域态密度的装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种测量局域态密度的装置及方法，具体涉及一种测量声场局域态密度的装置及方法。
技术介绍
[0002]态密度(DOS)是指单位体积单位频率范围内的模式的数目，即单位体积内能量介于E～E+
△
E之间的态数目与能量差
△
E的比值，其表征了在某一能量范围态的密集程度。态密度在空间上的分布往往是不均匀的，为了描述这种态密度在实空间的非均匀分布情况，就需要引入局域态密度(LDOS)的概念。局域态密度定义为特定空间点处单位频率范围内的模式的数目。相比于态密度，局域态密度提供了更多的细节信息，能够在一定程度上反映本征态的空间分布。
[0003]局域态密度是一个重要物理量，在辐射速率调控、材料性能表征、波与物质相互作用等研究中扮演着重要角色。在微纳光子学领域，光子局域态密度调控一直是热门的研究方向，各类纳米光子学结构被提出用于实现局域态密度增强，在单光子源、纳米激光器、光与物质的强相互作用等方面发挥了重要应用。在声学领域，2018年密西西比大学Maryam Landi等利用空间折叠结构构造的声学米氏共振腔发现声源辐射速率正比于声场局域态密度，揭示出了声辐射效率的增强来源于声源处局域态密度的提高。虽然声学人工微结构材料在近些年取得了很大的进展，但是关于声学局域态密度的研究相对较少，并且仍缺乏直接测量声场局域态密度的实验手段。
[0004]声场的局域态密度与格林函数直接相联系，要表征局域态密度需要同时知道声源的强度信息以及声源处的声压信息，目前在实验上仍具有一定难度。
技术实现思路
[0005]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种能准确测量声场局域态密度的装置；本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述装置进行测量声场局域态密度的方法。
[0006]技术方案：本专利技术所述的测量声场局域态密度的装置，包括声源、方形波导、MEMS硅麦克风以及声学矢量传感器；所述方形波导一端连接声源，另一端嵌入有与其内壁贴合的MEMS硅麦克风和声学矢量传感器，通过MEMS硅麦克风和声学矢量传感器分别得到方形波导处的声压和声质点振速，从而得到被测结构在声源激发频率下的局域态密度。
[0007]进一步地，所述声源和声矢量传感器的尺寸以及方形波导的截面尺寸小于波长十分之一。
[0008]进一步地，所述声源由动铁单元构成。
[0009]进一步地，所述MEMS硅麦克风的进声孔和声学矢量传感器的热线与方形波导的内壁齐平。
[0010]利用所述装置进行测量声场局域态密度的方法，包括以下步骤：
[0011](1)将被测结构开一个方孔，使该被测结构通过方孔与方形波导的一端相连，声波
由导管进入到被测结构中；
[0012](2)选取被测结构共振频率附近的一组频率作为声源的激励；
[0013](3)将方形波导插入被测结构中，由MEMS硅麦克风和声学矢量传感器分别得到方形波导端面处的声压与声质点振速；
[0014](4)由格林函数的虚部计算出声源附近的局域态密度：(4)由格林函数的虚部计算出声源附近的局域态密度：其中ω为声源的激发角频率，和分别为探测位置和声源位置，(c0为声速)，而声源处格林函数由声源的强度和该点的声压所决定：其中p
s
代表源处的声压，ρ
air
为空气密度，u
s
和S
s
分别为声源的表面振速和表面积；由步骤(3)所述的声压与声质点振速，得到波导端面处被测结构在相应频率下的局域态密度：
[0015]进一步地，所述被测结构的方孔外围还设置有方形桶套，用于局域态密度测量装置的插入。
[0016]进一步地，步骤(4)中，在测量时应保证测量环境的空旷，避免障碍物对声波散射造成测量结果不准确。
[0017]进一步地，步骤(4)中，为避免声能量逸出，在进行测量时应借助外力使局域态密度测量装置与被测结构全程保持充分的贴合。
[0018]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)克服了无法精确测量狭窄区域内声源体积流率的难题，首次实现了声场局域态密度的测量；(2)将声压与质点振速的测量集成于一个装置中，简化了对声场局域态密度测量的步骤；(3)利用开发的声场局域态密度测量技术，能够实现对声场状态分布的测量，并应用于声学人工结构材料的表征和声学辐射结构的设计。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的声场局域态密度测量装置示意图；
[0020]图2是利用本专利技术所述装置测量亥姆霍兹共振腔声场局域态密度的结构示意图；
[0021]图3是被测结构亥姆霍兹共振腔示意图；
[0022]图4是利用本专利技术所述装置测量亥姆霍兹共振腔得到的声场局域态密度图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0024]如图1所示，图中标记为：1.声源，2.方形波导，3.MEMS硅麦克风，4.声学矢量传感器，5.亥姆霍兹共振腔，51.方孔，52.套筒。
[0025]本专利技术所述的测量声场局域态密度的装置，包括声源1，方形波导2，MEMS硅麦克风3，声学矢量传感器4。其中，声源1为：Knowles CI
‑
22955
‑
000楼氏动铁单元。方形波导2的尺寸为15*10*14mm3，通过光固化打印方式制成。所述方形波导2一端开口大小为7.18*4.1mm2(与声源纵截面大小相同)，渐变延伸至另一大小为10*14mm2的端口。MEMS硅麦克风3的型号为SPH0641LU4H。声学矢量传感器4为专利公开号为CN 209247158 U的专利公开的声学矢量
传感器。
[0026]如图1所示，所述声源1插入方形波导2的小端口处，使声源限制在方形波导2中。所述MEMS硅麦克风3和声学矢量传感器4分别嵌入方形波导2的大端口处，使MEMS硅麦克风3和声学矢量传感器4的表面分别与内壁平齐。
[0027]如图2所示，本实施例选取的被测结构为亥姆霍兹共振腔5，其腔体尺寸为60
×
60
×
60mm3，其开口尺寸为π
×
182×
5mm3，其壁厚为4mm。
[0028]如图3所示，在被测结构亥姆霍兹共振腔5中需要开有一个与方形波导2大端口尺寸相同(10*14mm2)的方形开口51，在方孔51外侧需要有一个方形套筒52，其通孔大小为10*14mm2，局域态密度测量装置插入亥姆霍兹共振腔中。为避免声能量从声场局域态密度测量装置与被测结构的接触处逸出，应在该接触位置添加一个垫片使其整个声通道密封，同时借助外力使声场局域态密度测量装置与被测结构充分接触。
[0029]基于上述的声场局域态密度测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：
[0030](1)亥姆霍兹共振腔需要开有与声场局域态密度测量装置中方形波导大端口大小相同(10*14mm2)的方本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种测量声场局域态密度的装置，其特征在于，测量装置包括声源(1)、方形波导(2)、MEMS硅麦克风(3)以及声学矢量传感器(4)；所述方形波导(2)一端连接声源(1)，另一端嵌入有与其内壁贴合的MEMS硅麦克风(3)和声学矢量传感器(4)，通过MEMS硅麦克风(3)和声学矢量传感器(4)分别得到方形波导(2)处的声压和声质点振速，从而得到被测结构在声源激发频率下的局域态密度。2.根据权利要求1所述的测量声场局域态密度装置，其特征在于，所述声源(1)和声矢量传感器(4)的尺寸以及方形波导(2)的截面尺寸小于波长十分之一。3.根据权利要求1所述的测量声场局域态密度的装置，其特征在于，所述声源(1)由动铁单元构成。4.根据权利要求1所述的测量声场局域态密度的装置，其特征在于，所述MEMS硅麦克风(3)的进声孔和声学矢量传感器(4)的热线与方形波导(2)的内壁齐平。5.一种利用权利要求1
‑
4任一所述装置进行测量声场局域态密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将被测结构开一个方孔，使该被测结构通过方孔与方形波导(2)的一端相连，声波由导管进入到被测结构中；(2)选取被测结构共振频率附近...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢明辉，龙子威，葛浩，许相园，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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