一种梯度反射声栅传感结构

1.本发明涉及声栅超材料领域，特别涉及一种梯度反射声栅传感结构。


背景技术：

2.声传感技术在声源定位、状态监测等领域已得到广泛应用。然而，当声信号被强背景噪声淹没时，传统声传感检测设备由于受最小检测压力的限制，将无法检测到该声信号。此外，基于麦克风阵列的传统声源定位方法受其安装复杂、操作繁琐等影响，在工业上的应用有限。
3.近年来，声学超材料由于其独特的声波操控特性得到了广泛关注。声彩虹捕获、超常声透射及声隧穿等特性不断推进了基于超材料的声传感技术的发展。声学超材料利用其声波操控特性可作为预增强声信号和声源定位的声学设备。迄今为止，一些重要研究成果已为研发基于超材料的声增强设备提供了良好的技术支撑。除声增强设备外，一些基于声学超材料的声源定位设备也已被研发，如基于valley-hall拓扑绝缘体实现方向定位的拓扑声学天线和可用于全角度方向传感的耦合亚波长helmholtz共振器。然而，在工程实际中，上述超材料的设计和制造通常是十分复杂的。
4.与上述超材料相比，由矩形板和狭缝周期阵列构成的声栅超材料结构简单，在工程实际中更易于制造。以往的研究表明，具有等宽狭缝的传统周期声栅超材料的每个狭缝都可以作为fabry-perot(fp)共振腔，能有效捕获入射声波对应的共振频率，其声压幅值可放大80倍以上，且对零阶传输的入射角非常敏感，这为声传感技术提供了潜在的应用价值。然而，由于共振结构的高品质因子特性，导致现有声栅超材料的工作频带较窄。多共振器耦合作为拓宽工作带宽的一种常用方法，能够将多个共振带结合，从而有效地拓宽工作带宽，该方法也适用于声栅超材料。
5.在工程实际中，如在碰摩信号的检测中，声栅超材料对声波的操控通常需要在较低频率或深亚波长尺度下进行。然而，fp共振腔的长度通常大于或等于共振频率的波长，这使得设备体积庞大，不适合应用于紧凑型或小型设备。尽管在过去的研究中，空间卷曲结构已被证明能成功地降低工作频带，但由于它的热黏性损失显著，不适合与声栅超材料耦合。近年来，光学领域提出的反射光栅超材料可通过操纵其边界处的反射相位，实现光学领域的深亚波长传感，为实现深亚波长声栅超材料提供了思路，然而，能否通过操纵声栅边界上的反射相位来实现深亚波长声传感尚不清楚。
6.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

7.本发明为满足声传感系统在实际应用中的工作带宽要求，提出了一种狭缝宽度递增的声栅超材料，与传统周期声栅超材料相比，缝宽递增的声栅超材料可以看作是一组能
捕获不同频率分量的组合共振器，可合并多个共振带，拓宽工作带宽。
8.为了达到上述目的，本发明提供了一种梯度反射声栅传感结构，包括多个依次排列的竖直板以及布置在所述竖直板一侧的反射板，相邻两个所述竖直板之间的空气狭缝宽度等差递增，所述反射板与所述竖直板的侧缘之间留有空气夹层。
9.其中，所述空气狭缝的宽度递增规律满足wn＝w1+(n-1)
×
d，其中w1为初始宽度，wn为第n个空气狭缝的宽度,d为步长。
10.其中，所述空气狭缝的初始宽度w1＝7mm，步长d＝1mm。
11.其中，所述空气狭缝的总数量为15。
12.其中，所述梯度反射声栅传感结构通过3d打印制备，所述竖直板和所述反射板的原材料均为光敏树脂。
13.其中，所述光敏树脂的密度ρ2＝1190kg/m3，声速c2＝1700m/s，弹性模量e2＝2.65
×
103mpa，剪切模量g2＝2.22
×
103mpa。
14.其中，所述竖直板为矩形板，各块所述矩形板采用长边对齐的方式布置，所述矩形板的板厚t＝8mm，板长h＝100mm。
15.其中，所述反射板的厚度b＝8mm，板长l＝338mm，板宽h＝100mm。
16.其中，所述空气夹层的厚度g＝1.5mm。
17.同时，所述空气狭缝和所述空气夹层能根据实际需求调整。
18.本发明的上述方案有如下的有益效果：
19.本发明提供的梯度反射声栅传感结构，相邻竖直板与反射板之间的区域可构成类fp共振腔，能有效将声能量局限在狭缝中，显著增大声能量密度，同时，梯度反射声栅传感结构的外部存在倏逝波衰减现象，与各狭缝零阶共振模态耦合，实现声波能量腔到腔的传递，进而起到拓宽工作频带的作用；
20.本发明中，梯度反射声栅传感结构的工作频率可通过改变结构的几何参数(w和g)来调节，每个狭缝的共振频率随共振腔体积的大小而改变，可实现对深亚波长声波的操控；
21.本发明中，梯度反射声栅传感结构的声压响应受声波入射角影响，存在不同的压力场分布情况，方向响应敏感，可实现声源定位；
22.另外，本发明采用光敏树脂，通过3d打印技术制备，结构简单，制造方便，生产成本较低；
23.本发明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
24.图1(a)为本发明的整体结构正视图；
25.图1(b)为本发明的整体结构三维视图；
26.图2(a)为第2、8、14缝隙的归一化声压响应；
27.图2(b)为不同共振频率下的归一化压力场分布；
28.图2(c)为有无反射板时不同狭缝位置的共振频率对比；
29.图3(a)为空气狭缝宽度w对共振频率的影响；
30.图3(b)为空气夹层宽度g对共振频率的影响；
31.图4(a)为方向响应测试示意图；
32.图4(b)为方向响应归一化声压；
33.图4(c)为不同入射角的声场分布。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
35.需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、安装、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。另外，本发明中的“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或常规放置状态或使用状态，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、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发明限制。
36.如图1所示，本发明的实施例提供了一种梯度反射声栅传感结构，包括多个依次排列的竖直板1以及布置在竖直板1一侧的反射板2，即梯度反射声栅传感结构为多个“板-空气-板”型单元结构竖直排列而成，每相邻两个单元结构的中间共用一块竖直板1。其中，相邻两个竖直板1之间的空气狭缝3宽度等差递增，也即“板-空气-板”型单元宽度依次递增，反射板2与竖直板1的侧缘之间留有空气夹层4，相邻竖直板1与反射板2之间的区域构成类fp共振腔。
37.在本实施例中，空气狭缝3的宽度递增规律满足wn＝w1+(n-1)
×
d，其中初始宽度w1＝7mm，wn为第n个空气狭缝3的宽度，步长d＝1mm，且本实施例中空气狭缝3的总数量优选为15，即n的最大值为15。
38.在本实施例中，竖直板1为矩形板，各块矩形板采用长边对齐的方式布置，优选地，矩形板的板厚t＝8mm，板长h＝100mm，反射板2的厚度b＝8mm，板长l＝338mm，板宽h＝100mm，空气夹层4的厚度g＝1.5mm。
39.在本实施例中，梯度反射声栅传感结构通过3d打印制备，竖直板1和反射板2的原材料均为光敏树脂，其密度ρ2＝1190kg/m3，声速c2＝1700m/s，弹性模量e2＝2.65
×
103mpa，剪切模量g2＝2.22
×
103mpa。
40.本实施例提供的梯度反射声栅传感结构，相邻竖直板1与反射板2之间的区域可构成类fp共振腔，能有效将声能量局限在狭缝中，显著增大声能量密度。同时，梯度反射声栅传感结构的外部存在倏逝波衰减现象，与各狭缝零阶共振模态耦合，实现声波能量腔到腔的传递，进而起到拓宽工作频带的作用。
41.梯度反射声栅传感结构的工作频率可通过改变结构的几何参数(w和g)来调节，每个狭缝的共振频率随共振腔体积的大小而改变，可实现对深亚波长声波的操控。
42.梯度反射声栅传感结构的声压响应受声波入射角影响，存在不同的压力场分布情况，方向响应敏感，可实现声源定位。
43.另外，该结构采用光敏树脂，通过3d打印技术制备，结构简单，制造方便，生产成本较低。
44.请同时参阅图2，以下通过具体案例进行论证：
45.梯度反射声栅传感结构采用t＝8mm，w1＝7mm，n
max
＝15，d＝1mm，h＝100mm，g＝1.5mm，b＝8mm，l＝338mm，h＝100mm的几何参数。将该结构简化为二维声学系统，只考虑零阶模态。将梯度反射声栅传感结构上下设置为刚性边界，上下刚性边界的间距为200mm，上刚性边界距结构上边界25mm，宽频平面波从右侧垂直于类fp腔入射，入射端距结构左侧230mm，初始声压设置为1pa，对该结构进行声压响应分析。
46.将第2、8、14个空气狭缝3的声压增益归一化，可以看出每个空气狭缝3都存在一个明显的共振峰。在不同共振频率的声压场分布中，可以清楚地观察到对应频率的声波聚集在相应空气狭缝3中。与无反射板2的声栅超材料相比，梯度反射声栅传感结构的工作频率至少降低140hz，最大降幅可超过280hz。以第2个空气狭缝3为例，其波长为281mm，是空气狭缝3宽度的35倍(w2＝8mm)，这表明梯度反射声栅传感结构更适合于深亚波长尺度的应用。此外，随着空气狭缝3宽度的增加，其相应的共振频率会减小。梯度反射声栅传感结构不仅能有效地拓宽工作带宽，还能降低深亚波长尺度上的工作频带。
47.请同时参阅图3，改变空气狭缝3宽度，将空气狭缝3初始宽度w1从6mm增加到8.5mm，对应的共振频率随之减小，即每个空气狭缝3的共振频率可通过改变共振腔的体积来调整。增大空气夹层4的厚度g，每个空气狭缝3的共振频率也会随之增大，当g增大到15mm后，共振频率趋于恒定值。满足条件(m为整数，表示m阶fp共振；分别为上、下边界处的反射相位；nk为狭缝有效折射率)时，共振因子虚部为零，会出现零阶共振模态。在此情况下，梯度反射声栅传感结构上下边界的衍射表面波与狭缝模态耦合，使未封闭的空气狭缝3形成类fp共振腔。共振频率随空气夹层4的厚度增大而增大，这是因为相位可通过与空气夹层4相关的反射系数来调制。也就是说，通过压缩空气夹层4，可以获得深度亚波长类fp共振。
48.请同时参阅图4，将梯度反射声栅放置在圆形吸声边界中，第8个空气狭缝3的中心与圆形边界的圆点重合。圆形边界的内径为600mm，设置梯形开口。在开口处水平入射平面波。以圆形边界的圆点为中心旋转梯度反射声栅传感结构，使入射波以不同角度入射该结构。结果表明，梯度反射声栅传感结构的方向响应对声波入射角敏感。当入射角为0
°
时，出现最大声压，这是因为梯度反射声栅传感结构的共振现象是由沿周期性表面衍射波引起的；当入射角增大到180
°
时，由于空气与梯度反射声栅传感结构的边界存在严重的声波阻抗不匹配现象，狭缝无法捕捉到声能量。由于反射板2的存在，梯度反射声栅传感结构的方向响应存在略微的不对称。因此，理论上该梯度反射声栅传感结构可以区分出各个方向的声信号。基于这一特性，梯度反射声栅传感结构可作为声源定位传感器。
49.综上所述，本技术构建的梯度反射声栅传感结构通过类fp共振，能够有效控制声波传播，将声能量局限在狭缝中；能结合不同尺寸的类fp共振腔的频带，使其工作带宽被拓宽；改变共振腔体积，可调节其工作频率，从而避免了传统声栅超材料工作带宽窄、体积大等问题，并且还实现了各个角度的方向定位。
50.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。