适用于声场主动重塑的二进制空间声学调制器的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明的一个实施方案的空间声学调制器单元。

图3显示了根据本发明的一个实施方案的空间声学调制器单元的横截面。

图4显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明的一个实施方案的空间声学调制器。

图8显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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显示了根据本发明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

本发明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。

本发明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。本发明的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。

本发明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。本发明中的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示意给出了本发明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示意给出了本发明中的空间声学调制器单元，图3显示了本发明中的空间声学调制器单元的横截面，图4显示了本发明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。薄膜200固定在刚性框架250上，从而第一边界210是一个固定边界。空间声学调制器单元100还包括置于薄膜200上方的平台600和置于薄膜200上的环400。磁片300和环400均与薄膜200接触，平台600与薄膜200之间有距离。电磁铁500和平台600通过支架臂560固定在支架550上。支架550是刚性的，可与刚性框架250形成一个整体。

框架250、支架550以及平台600具有类似于环400的环形。磁片300为圆盘形，磁片300、环400以及框架250同心布置，且环400在磁片300和框架250之间。当从空间声学调制器单元100的正上方观察时，平台600与框架250的中心在同一处，且平台600位于磁片300和环400之间。也就是说，平台600的直径小于环400的直径。

电磁铁500连接到直流电源，从而产生与磁片300之间的磁力，如吸引力或排斥力。当磁铁300与电磁铁之间为斥力或不存在磁力时(即处于断开状态)，薄膜200具有一个固定的第一边界210，且在第一薄膜区域260即第一边界210和磁片300的中心之间振动。相反地，当磁片300和电磁铁500之间为引力时(即在接通状态下)，自由磁片300和薄膜200向固定的电磁铁500移动，从而导致，与平台600相对应的薄膜200的一部分将与平台600相贴触。因此，薄膜200有两个固定边界，包含固定在框架250上的第一边界210和贴触在平台600上的第二边界220。在接通状态下，薄膜的第二区域270即第一边界210和第二边界220之间的区域振动，而位于第二边界220和磁片300之间的第三薄膜区域280并不振动。

图5显示了本发明中的薄膜在断开和接通状态下本征态的模拟振动面。如图5所示，薄膜第一区域260在断开状态下振动，薄膜第二区域270在接通状态下振动。因此，空间声学调制器单元100在断开和接通状态时具有不同的振动模态从而产生不同的位相因子。

本发明包含但不限于以下例证实施方案。

实施方案1:空间声学调制器单元，包括:

一个固定在框架上的薄膜；

一个放置在薄膜上的磁片；

一个正对磁片且在磁片上方的电磁铁；和

一个置于薄膜上方的平台，

其中，由于磁片和电磁铁之间的磁力，薄膜能够与平台贴触。

实施方案2:根据实施方案1中所述的空间声学调制器单元，其中，当磁力为吸引力时，薄膜与平台贴触。

实施方案3:根据实施方案1-2中所述的空间声学调制器单元，进一步包括置于薄膜上的环，其中环置于磁片和框架之间。

实施方案4:根据实施方案1-3中所述的空间声学调制器单元，进一步包含用于固定电磁铁和平台的支架。

实施方案5:根据实施方案4中所述的空间声学调制器单元，其中支架通过支架臂连接到电磁铁和平台。

实施方案6:根据实施方案4-5中所述的空间声学调制器单元，其中所述支架和框架为整体形成。

实施方案7:根据实施方案3-6中所述的空间声学调制器单元，其中平台为环形且平台的直径小于环的直径。

实施方案8:根据实施方案1-7中所述的空间声学调制器单元，其中框架为环形，且磁片放置在膜的中心。

实施方案9:根据实施方案1-8中所述的空间声学调制器单元，其中，当磁力为斥力时，膜有一个固定边界，当磁力为引力时，膜有两个固定边界。

实施方案10:根据实施方案9中所述的空间声学调制器单元，其中两个固定边界包括固定在框架上的第一个边界和固定在平台上的第二个边界。

实施方案11:空间声学调制器，包括:

一个由权利要求1-10中所述的空间声学调制器单元组成的多元阵列；

一个连接到每一个空间声学调制器单元的的继电器；和

一个控制继电器的微控制器。

实施方案12:根据实施方案11中所述的空间声学调制器，进一步包括用于探测信号并给微型控制器提供反馈的传感器，从而微型控制器能够调控空间声学调制器的每一个单元。

实施方案13:根据实施方案11-12中所述的空间声学调制器，每一个由多个空间声学调制器单元构成的组元的切向尺寸小于或等于声波波长的一半。

实施方案14:声学装置，包括：

一个框架；

一个第一边界固定在框架上的薄膜；

一个置于薄膜中心处的磁片；和

一个在磁片上方的电磁铁，

其中，该声学装置通过电磁铁移动磁片能够提供两种状态。

实施方案15:根据实施方案14中所述的声学装置，包含置于薄膜上方的平台。

实施方案16:根据实施方案15中所述的声学装置，其中薄膜的第二边界对应于平台位置，在第一状态时平台与薄膜保持有一定的距离，在第二状态时薄膜贴触到平台上。

实施方案17:根据实施方案16中所述的声学装置，其中声学装置在第一和第二状态下能够在声环境中产生不同的位相因子。

实施方案18:根据实施方案16-17中所述的声学装置，在第一和第二状态时薄膜具有不同的振动区域。

实施方案19:根据实施方案16-18中所述的声学装置，进一步包括用于固定电磁铁和平台的支架，以及在第二边界和框架之间贴于薄膜上的环。

实施方案20:空间声学调制器，包括：

一个多单元构成的组元的二维阵列；

一个用于探测信号并提供反馈的传感器；和

一种基于反馈对由多单元构成的组元的状态进行操纵的微控制器，

其中每一个单元包括：

一个框架；

一个第一边界在框架处的薄膜；

一个置于薄膜中心的磁片；

一个置于薄膜上且在磁片与框架之间的环；

一个在磁片上方的电磁铁；

一个在薄膜上方的平台；和

一个用于固定电磁铁和平台的支架，和

其中薄膜的第二边界对应于平台所在处，根据磁片的移动薄膜或与平台保持有一定距离或贴触在平台上。

实施方案21:主动可重塑声学装置，包括:

一个通过对相同环境内可听频域声场的位相因子进行空间部分编码而改变空间声场分布的可重塑元件。

实施方案22:根据实施方案21中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特性(例如，平均声级)。

实施方案23:根据实施方案21-22中所述的主动可重塑声学装置，其中可重塑元件的切向尺寸不大于空气中声波波长的0.5倍。

实施方案24:根据实施方案21-23中所述的主动可重塑声学装置，其中可重塑元件可在至少两种状态之间进行重塑。

实施方案25:根据实施方案24中所述的主动可重塑声学装置，对于透射波和反射波，第一状态给予第一位相因子(例如，0)，第二状态给予一个与第一位相因子不同的第二位相因子(例如，理想上第二位相因子是π)。

实施方案26:根据实施方案24中所述的主动可重塑声学装置，其中该可重塑元件具有至少两种可重塑状态，不论对于透射波和反射波而言，每一个状态的位相因子都是更加灵活地，两者之间能够有很大的相位差(例如，理想的π)。

实施方案27:根据实施方案21-26中所述的主动可重塑声学装置，可工作于透射模式或反射模式，或两者同时均可。

实施方案28:根据实施方案21-27中所述的主动可重塑声学装置，其中可重塑元件至少包含单个单元或置于不同位置的多个子单元中的一个。

实施方案29:根据实施方案27中所述的主动可重塑声学装置，其中透射模式是指对通过该装置的透射波进行位相因子编码的情况。

实施方案30:根据实施方案27中所述的主动可重塑声学装置，其中反射模式是指对通过该装置的反射波进行位相因子编码的情况。

实施方案31:根据实施方案21-30中所述的主动可重塑声学装置，能够与一个或多个反馈取得关联。

实施方案32:根据实施方案31中所述的主动可重塑声学装置，可重塑元件的状态由通过优化方案的一个或多个反馈所决定。

通过下面的实施例可以更好地理解本发明及其诸多优点。下面的实施例展示了本发明的一些方法、应用、实施方案和变体。当然，它们不能被认为是对本发明的局限。对于本发明能够进行诸多的改变和修正。

实施例1

图4给出了采用以薄膜超材料作为基本单元制作的二进制空间声学调制器构造的空间声学调制器。将半径为27毫米、厚度为0.1毫米的聚氨酯薄膜均匀拉伸，然后固定在刚性框架250的边缘。薄膜200是透明且有弹性的。一个半径r＝6mm、质量为0.9g的钕磁圆盘300附着在薄膜200的中心。一个塑料环400(内外半径分别为16、17毫米，重量为0.15克)也附着在薄膜200上。图5给出了薄膜位于450hz的本征态。一个电磁铁500被一个刚性支架550悬挂在与薄膜200距离2.5毫米处。此外，一个环形平台600连接在塑料支架上。平台600与薄膜200之间保持有1mm的间距。当磁吸力作用时位于薄膜200中心位置处的磁片300将会吸附在电磁铁500上。这种状态称之为该单元的接通状态。将通入电磁铁500的直流电压反向时，将会释放磁片300和薄膜200回到原始状态，此时薄膜200恢复到圆形，此时为断开状态。薄膜在两种状态下具有截然不同的本征模态。

图5给出了模拟计算的所感兴趣频率的振动模态。图6显示了本发明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(实线)和相位(虚线)。由图5和图6可知，断开状态下450hz附近的共振峰在接通状态下移动至800hz，且两种状态的振动模态是不同的。如图中黄色阴影所示的580-700hz区域，薄膜在两种可切换的状态下的相位差约为150°。

图7显示了本发明中的空间声学调制器。参照图7，空间声学调制器包括一个由360个相同的薄膜共振单元组成的二维阵列。可编程的微控制器用于控制每个单元的状态。空间声学调制器以2×2的方式将4个单元组为一个组元。由空间声学调制器构成的超表面形成一个共计90个组元的二进制ssm。

本发明的空间声学调制器通过在实验室某一位置创建“静音区”来表征其对复杂声场的空间分布的调控。实验室本质上是一个长方体的空腔。在高于约为108hz的施罗德频率为混响环境。实验室内配有桌椅、柜子等物品及各种设备。这些物体的多重散射进一步扰乱了声场。在混响环境内，谐振腔具有丰富的本征模态。它们之间的干涉产生了空间分布更为复杂的声场。空间声学调制器在特定频率及特定位置对声压级进行调整(使其最小化或增大)。为此，在选定的位置放置一个作为传感器的麦克风用以探测声音信号，测量声压振幅p，并将其作为反馈用以指导优化过程。优化过程由迭代方案控制。在选定位置处比较每个组元在两种不同状态下测量的声压，保留能够产生目标声压(一个更小或更大的)幅度的状态。

图8给出了本发明中的空间声学调制器的频谱响应。特别的是，图8显示了空间声学调制器在优化位置处最小化前和最小化后的频谱，尤其值得注意的是，在选定的频率636hz处，空间声学调制器将声压场强减小21db。

图9和图10分别显示了本发明中的空间声学调制器在单个位置和多个位置处产生静音区。由图9可以很清晰的看到在绿色圆环所标注的优化位置处一个低压声场区域出现在复杂的声场中。图10给出了在互不相关位置处独立进行的25次实验的平均声场，可以明显的看到，经过优化后在优化位置上出现一个低压场区域。图11给出了25次实验的减小优化过程。显然，声压场在优化过程中持续减小，进一步证明了ssm和迭代方案的有效性。图中黑色曲线为所有实验的平均值。

运用本发明的ssm，通过调整优化方案选择保留产生更大声压场的状态，从而在选定的位置上实现了声压场的增强，产生一个声强场区。图12给出了本发明的空间声学调制器在优化位置处优化前后的频谱响应，可以明显的看到声压幅度的增强。由图12可知，在选定的频率643hz有7db的增强。类似地，图13给出了优化前后在优化位置附近的声压场分布，在蓝色圆环所示的优化位置处产生强场。

图14给出了本发明的空间声学调制器的声场增强效应。由图14可知，在无相关位置所进行的20次独立实验的平均声场分布具有相似的结论。图15显示了所有实验声压场增大的过程，可以看到在整个过程中声压稳健增强，黑色曲线给出了所有实验的平均值。

图16给出了本发明中的声学调制器的超组元结构。由图16可知，超组元是通过将不同工作频率的单元组合到一起而形成的。每一种颜色代表一种不同的单元，具有该超组元结构的空间声学调制器能够调控宽频区域的声场和瞬态声场。

根据本发明的一个实施方案，一种主动可重塑的声学装置能够通过将相同环境内可听频域的相位因子进行编码而具备调控可听频域声场的空间分布的能力。该装置同样能够改变声场的整体性质，例如平均声场能级。

以上所述装置包含可重塑元件，每一个元件的切向尺寸不大于空气中声波波长的0.5倍，而且每一个单元能够在至少两种状态之间重塑。如果每一个单元具有两种可重塑状态，那么无论对于透射波还是反射波，其中一个状态应该编码相位因子为0，而理想情况下另外一个状态编码相位因子为π。除此之外，如果每一个元件具有多于两个状态，那么每一个状态的相位因子更复杂。但是总体上不论对透射波还是反射波，理想上它们之间应当至少有π的相位差。

以上所述的装置即可工作于透射模式也可工作于反射模式，或者同时。透射模式指的是编码透过该装置的声波的位相因子的情形。反射模式指的是编码被该装置反射的声波的位相因子的情形。

以上所述的装置能够与一个或多个反馈相交互。以上所提到的每一个组元的状态通过优化机制由反馈信号所决定。该装置具有有限的工作频域，这是由该元件决定的。元件的工作频率是可调的，即使是完成设备搭建后。工作带宽可以通过将多个具有不同工作频率的亚波长单元组合在一起而实现增大。

以上所述设备可以是单个单元，也可以是被分成多个置于不同位置上的子单元。在一个特定的无约束实验中，该装置包含由可主动调控的薄膜超材料阵列构成的元件。该超材料在可听频域具有一个或多个本征模态，且能够在两种或更多具有不同本征频率的本征模态之间重塑。

以上所述超材料包括一个拉伸且固定在刚性框架上的薄膜。在特定实施方案中，该薄膜的中心处贴有一个磁性圆盘和一个同心的环。在无约束的调控过程中，以上所提到的可重塑机制是通过磁力实现的。为获得理想的结果，需要反馈机制和优化方案来指导设备的优化。在一个无约束的调控过程中，采用一个麦克风测量声压场信号以提供反馈。在一个无约束的调控过程中，所选择的优化方案是迭代优化方案。

在无约束的情况下，如果所述装置将大量的声场能量集中在局域强吸收区域，能够增大整体的耗散，从而降低平均声压场。

在无约束的情况下，如果所述装置产生的低声场区域与局域高吸收区域相重叠，此时能够减小整体的耗散，从而增大平均声压场。

应当被理解的是本文所描述的实施例和实施方案仅用于说明目的，在其教导下进行的各种修改或变更对于本领域的技术人员是不言自明的，并应纳入本申请书的精神和范围之内。

本文中提到的或引用的所有的专利、专利申请、临时申请和出版物(包括“参考文献”部分中的那些)，只要不与本说明书的明确教导相矛盾，都是通过引用方式以其整体(包括所有的图表和表格)并入本文中的。

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