用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置的制作方法

本发明涉及用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置，属于声学器件领域。

背景技术：

一直以来，对于低频声波由于具有衰减较慢等优点，广泛运用于生物医学、水下声学等一系列领域，然而低频声波的指向性却极难操控。目前实现低频指向性操控的方法，一是通过相控阵的技术来实现，但是该方法面临着高成本，操控复杂的问题，另一种方法是通过参量阵的方式来实现，即运用非线性效应来实现低频的指向性操控，然而该方法由于运用非线性效应，绝大部分能量都被损耗掉，因而对能量造成了极大的浪费。因此如何通过亚波长尺度的装置来实现低频指向性操控，改变复杂的结构来实现对参数的连续调节。传统的声学超常材料结构复杂，成为了声学领域一个极为困难却极其重要的问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置，通过两个附在直波导上的环状结构，从而实现极高的折射率，从而实现对低频声波指向性的操控，能够大大简化现有的方法面临的高成本、高能耗、复杂结构的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明的用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置，包含直波导，所述直波导的两端分别安装有一个锥状的锥盖，在直波导上套有第一环状结构和第二环状结构，所述第一环状结构套在第二环状结构内，第一环状结构通过第一短管与直波导导通，所述第二环状结构通过第二短管与直波导导通。

作为优选，所述直波导、锥盖和环状结构的材料的阻抗至少是空气阻抗的300倍。

作为优选，所述直波导为圆柱形，外直径D<f/2c；第二环状结构外直径D₁<f/2c；其中，f为所述低频指向性装置的工作频率，c为空气中声速。

作为优选，所述第一环状结构和第二环状结构均为套筒。

有益效果：本发明的用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置，通过两个附在直波导上的环状结构，从而实现极高的折射率，从而实现对低频声波指向性的操控，能够大大简化现有的方法面临的高成本、高能耗、复杂结构的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的剖视结构示意图。

图3为本实施例公开的可以实现低频指向性操控的装置实现偶极子的数值模拟结果及实验测量结果，图3a为数值模拟结果图，图3b为实验测量结果图。

图4为本发明中频率与声压的关系图，其中，曲线①对应的是声压幅值差与频率的曲线关系，曲线②为声压相位差与频率的曲线关系，五角星标记的是幅值差测量结果，三角形标记的是相位差测量结果，对应黑色箭头为工作频率，对应幅值差为0相位差为180度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的用于传播0阶平面声波的可以实现低频指向性操控的装置，包含直波导1，所述直波导1的两端分别安装有一个锥状的锥盖6，在直波导1上套有第一环状结构4和第二环状结构2，所述第一环状结构4套在第二环状结构2内，第一环状结构4通过第一短管3与直波导1导通，所述第二环状结构2通过第二短管5与直波导1导通，所述第一环状结构4和第二环状结构2优选均为套筒。锥盖6的作用可以提高辐射效率，两个环状结构可以使得声波在特定频率发生共振，结构是通过3D打印技术，各结构之间紧密连接，第一短管3和第二短管5起到支撑与连通的作用。

在本发明中，所述直波导1、锥盖6和环状结构的材料的阻抗至少是空气阻抗的300倍，所述直波导1为圆柱形，外直径D<f/2c；环状结构外直径D₁<f/2c；其中，f为所述低频指向性装置的工作频率，c为空气中声速。

本发明的原理为：考虑一个任意体积的分布体源q，在自由空间中辐射的声场可以表示为：

其中，是自由空间的格林函数，假定声源的尺度远小于波长，体积表示为那么我们可以将做泰勒展开：

将等式(2)代入到等式(1)中，可以得到：

(3)其中：

其中，和是声源中单极子组分和偶极子组分，对应的Q₀和D₀为各自的强度。

由上式(5)和(7)可知，在声源尺度远远小于波长的条件()下，偶极子强度相比于单极子强度是一个小量，因此任意亚波长尺度的声源在低频情况下，都近似为单极子源辐射，无指向性。

当位于直波导一端的单极子源辐射声波时，由于直波导的宽度远远小于波长，因此辐射声压和相位满足：

p₀＝A₀ exp(ikx)+B₀ exp(-ikx) (8)

其中，k是波数，A₀和B₀是入射波和反射波的复数幅值。透射波可以表示为：

p₂＝A₂ exp(ikx) (10)

在旁支的位置，声压和体积速度连续：

A₀+B₀＝A₂＝p₁ (12)

因此我们可以得到反射系数和透射系数：

其中，Z₀、Z_b分别对应空气声阻抗和旁支的声阻抗。

由于两个环状结构的共振使得在特定频率附近，折射率很高，从而可以进行低频声波的操控，对应整体结构两端的声压幅值差和相位差如图4所示，在图中黑色尖头对应的频率位置(352.9Hz)对应的整体结构的声压幅值差为0，相位差为180度，在该点可以实现偶极子指向性。

本发明中，该可以实现低频指向性操控的装置的工作频率f为352.9Hz，鉴于上述圆柱形波导宽度计算方式，本发明仅限用于单模式声学波导，也即，本发明公开的可以实现低频指向性控制的装置用于传播0阶平面声波。

当任意声源在直波导一端辐射声波时，由于亚波长尺度，可以近似看成是单极子声源，该单极子声源辐射的声波同设计的结构发生相互作用，从而实现了高折射率，最终实现了对声波的操控。由于圆柱形直波导以及环状结构的宽度远大于边界层厚度的，可近似忽略粘滞效应。图3为本实施例公开的可以实现低频指向性操控的装置实现偶极子的数值模拟结果及实验测量结果，从图中可知，该结构可以有效地通过亚波长结构实现低频声波的指向性操控，将全方向辐射声波转变为偶极子辐射声波。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。