一种可调谐超窄带声滤波器的制造方法

文档序号:10554011阅读:452来源:国知局
一种可调谐超窄带声滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明属于周期变截面波导缺陷模式及声波整流技术,具体涉及一种可调谐超窄带声滤波器。一种可调谐的超窄带声滤波器,由周期变截面起伏结构构成的中空圆柱状金属壁波导,在波导中间引入内径与粗管内径相同的圆柱状缺陷。滤波器管壁材料为刚性材料,材料厚度为5毫米,滤波器内部为空气。本发明有超窄的滤波频率,仅单一频率通过。工作带宽可通过改变周期变截面波导的尺寸来调节。在工作带宽内,滤波频率可调谐,具有很高的调谐精度。高的带外抑制。波导材料可变,可根据使用环境选择。波导制作及组装简单。
【专利说明】
一种可调谐超窄带声滤波器
技术领域
[0001] 本发明属于周期变截面波导缺陷模式及声波整流技术,具体涉及一种可调谐超窄 带声滤波器。
【背景技术】
[0002] 声波是人们交流传递信息的重要手段之一,在一些领域如水声通信、气象雷达、医 学B超等方面,声学都有重要的作用,因此对声波的调控具有十分重要的科学意义。
[0003] 在管道中的声传输问题是目前声学中较为重要的一个方向,例如传感器灵敏度的 校正,吸声材料的声阻抗与吸声系数测量,声学器件设计,声波模式控制以及一些声学现象 的研究。在 1983 年,Bostrom 在 Wave Motion 上发表文章 (Acoustic waves in a cylindrical duct with periodically varying cross section),用NF(null-field)方 法研究了在截面周期变化柱状波导中的两个较低模式的禁带。在2012年,Rui-Qili在 Applied Physics Letters上发表文章 (Broadband asymmetric acoustic transmission in a gradient-index structure),利用声学梯度材料使两个方向入射的声波具有不同的 传播路径,从而在极宽的频带范围内实现了不对称声传输。在2013年,Bo Yuan在Applied Physics Letters上发表文章 (Broadband directional acoustic waveguide with high efficiency),设计了一种线性的声学滤波结构并制备了原理性器件,尺寸与声波波长密切 相关。
[0004] 在专利方面,2013年,卢明辉等人在申请的专利(一种基于含时调制的声二极管, CN103592019A)中描述了一种基于含时调制的声二极管,由声波导管中存在的可由电机带 动旋转的椭圆柱和位于声波导管尾部的滤波器组成。正向入射的声波经过旋转的椭圆柱频 率发生跃迀,可以通过滤波器,而反向入射的声波则被滤波器直接过滤掉,这样就实现了声 波的单向导通功能。值得注意的是,在2011年,南京大学声学研究所的梁彬等人在专利(一 种声二级管以及检测声二级管的系统,CN102175300A)中提出了一种声二级管以及检测声 二级管的系统,该系统由管壳的一段设有层状超晶格结构的媒质和余下的一段设有强声学 非线性的含气泡材料的媒质组成,在二极管的两侧设置有多频超高速换能器,在驱动电路 的控制下实现对声二级管的检测。2015年,郭文锦等人在申请的专利(一种极窄带声表面波 滤波器)中提出了一种横向滤波器设计方法,通过优化抽指加权设计,衍射分析及修正,同 时采取措施有效抑制波导效应,具有高矩形度,高带外抑制的优点。
[0005] 近年来,在周期波导中对声波进行调控的问题成为了热点,人们对声波的调控方 法进行了多种多样的尝试。如基于布拉格共振和非布拉格共振的变截面周期波导的研究也 在逐渐展开。2008年,陶智勇教授等人研究了在周期变截面波导结构中共振产生的禁带问 题(Resonance-induced band gaps in a periodic waveguide,Journal of Sound and Vibration)。布拉格共振和非布拉格共振导致的频带的分裂和频域禁带具有很重要的理论 价值,在工程领域和声学器件的制造方面有着潜在的应用价值。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种满足现有声学系统中对单频滤波的需求的基于变截 面周期波导的可调谐超窄带声滤波器。
[0007] 本发明的目的是这样实现的:
[0008] -种可调谐的超窄带声滤波器,由周期变截面起伏结构构成的中空圆柱状金属壁 波导,在波导中间引入内径与粗管内径相同的圆柱状缺陷。
[0009] 所述的缺陷两侧波导周期个数均为10, A为周期长度和f?为中心频率,每个周期的 细管粗管长度相同为周期长度A的一半,平均内径为R,周期起伏参数e=0.1R,细管内径为 R-e,粗管内径为R+e。
[0010] 滤波器管壁材料为刚性材料,材料厚度为5毫米,滤波器内部为空气。
[0011] 本发明的有益效果在于:超窄的滤波频率,仅单一频率通过。工作带宽可通过改变 周期变截面波导的尺寸来调节。在工作带宽内,滤波频率可调谐,具有很高的调谐精度。高 的带外抑制。波导材料可变,可根据使用环境选择。波导制作及组装简单。
【附图说明】
[0012] 图la为本发明滤波器的声压分布图。
[0013] 图lb为本发明滤波器的周期单元示意图。
[0014]图2a为本发明滤波器波导内部结构图。
[0015] 图2b为本发明滤波器波导组装示意图。
[0016] 图3为缺陷长度40mm禁带中透射峰位置。
[0017] 图4为不同频率缺陷长度下的透射峰中心频率及拟合曲线。
【具体实施方式】
[0018] 下面根据附图对本发明具体实施案例进行详细的描述。
[0019] -种可调谐超窄带声滤波器,由变截面周期圆柱波导组成,包括缺陷和左右两侧 波导以及一一维平移系统。所述缺陷为与波导粗管内径相同的圆柱形管材,缺陷左右波导 布置在一维平移系统上,所述一维平移系统主体为两个超精密重载型电控平移台。缺陷引 入破坏了周期结构的完整性,声波在缺陷处局域化,基模发生局域共振产生一个新的局域 模式,表现为在禁带中产生一个单频透射峰。此单频透射峰频率与缺陷长度严格相关,长度 变长,频率向低频移动,通过改变缺陷长度可以达到调谐单频透射频率的目的。进一步,通 过改变周期长度A可得到可调谐滤波的频带,通过对周期起伏参数£的改变可调整工作带 宽。本发明具有超窄的滤波频率及宽带工作带宽,高带外抑制,滤波频率以及工作带宽可调 等优点,具有很高的商业及应用价值,同时对未来更为复杂的滤波器件的设计打下基础。
[0020] -种可调谐的超窄带声滤波器,它是由周期变截面起伏结构构成的中空圆柱状金 属壁波导,此波导根据设计参数不同在特定频带产生禁带。在波导中间引入内径与粗管内 径相同的圆柱状缺陷,缺陷引入的地方周期结构的完整性被破坏,声波局域化,在缺陷处基 模发生局域共振产生一个局域模式,表现为在禁带中产生一个单频透射峰。此单频透射峰 中心频率随着缺陷长度的变化在禁带中移动,缺陷长度变长,频率向低频移动,通过改变缺 陷长度可以达到调谐单频透射峰位置的目的。
[0021 ]此单频透射峰中心频率随着缺陷长度的变化而变化,长度变长,频率向低频移动, 通过改变缺陷长度可以达到调谐单频透射峰中心频率的目的。
[0022]见说明书附图la、b,缺陷两侧波导周期个数均为10,周期长度A和中心频率f有 关,每个周期的细管粗管长度相同为周期长度A的一半,平均内径R与一阶模的截止频率有 关,周期起伏参数e = 〇 . 1R,细管内径为R_e,粗管内径为R+e。通过改变周期长度可以控制滤 波器工作频带,e的大小可变用来控制带宽,e变大,频带变宽,相反则频带变窄。
[0023] 见说明书附图2b为滤波器加工组装示意图,它由缺陷B,两侧波导⑶及一维平移系 统组成。缺陷B通过架子固定于光学平台E上,两侧波导通过支架及板架与平移台A精确连 接,两侧波导细管插入缺陷,总体呈现一线性结构。通过平移台调整两侧波导CD与缺陷B的 相对位置得到不同的缺陷长度,从而实现可调谐的滤波功能。为了达到1Hz的滤波分辨率, 平移台的位移精度需高于0.1毫米。缺陷长度的变化通过超精密重载型电控平移台组成的 一维平移系统控制,装配光栅尺,准确输出移动量,分辨率0.0001毫米。在缺陷B与两侧波导 CD的连接处涂抹高分子凝胶溶液,并用阻声纸进行密封。
[0024] 滤波器管壁材料为刚性材料,如不锈钢,铝合金,材料厚度为5毫米。滤波器内部皆 为空气,没有任何填充材料。
[0025] 图la包括缺陷及缺陷两侧波导的声压分布,缺陷两侧变截面周期波导均有10个周 期,在缺陷处因为局域模的共振声压明显高于两侧周期波导。
[0026] 图lb前端为细管,内径为R_e,后端为粗管,粗管内径为R+e。
[0027] A为变截面周期波导的周期长度
[0028] R为平均内径
[0029] 1为缺陷长度
[0030] e为周期起伏参数,取e=0.1R
[0031] 10为周期个数
[0032]由图2a可以看出,滤波器主体由缺陷B及两侧波导CD组成,中间缺陷B为内径与粗 管相同的圆柱形管材,缺陷长度为两侧波导细管之间的距离1。基模由左侧入射。
[0033]图2b缺陷固定于光学平台E上,两侧波导通过支架及板架与平移台A精确连接,缺 陷长度通过两个平移台调整。
[0034] A为超精密重载型电控平移台
[0035] B为缺陷
[0036] C为左侧变截面周期波导
[0037] D为右侧变截面周期波导
[0038] E为光学平台,起固定滤波器的作用
[0039] 1为缺陷长度
[0040] 如图3所示,横轴为频率,纵轴为传输系数dB。禁带中出现一透射峰,透射峰两侧频 率,透过率小,衰减很大,具有很高的带外抑制。缺陷长度40mm的透射峰位于2339Hz。
[0041] 如图4所示,横轴为缺陷长度,纵轴为透射峰频率。黑色三角为不同缺陷长度下的 透射峰中心频率,红色线为拟合曲线,拟合结果为f = -10.01*1+2753,f为中心频率,L为缺 陷长度。由拟合结果可以看到,缺陷长度每变化〇. 1mm,透射峰中心频率变化1Hz。
[0042] 该滤波器的滤波范围可调节且对声波的入射角度和强度没有要求。
[0043] 见说明书附图2b为滤波器加工组装示意图,它由缺陷B,两侧波导⑶及一维平移系 统组成。变截面波导是由两种内径不同的圆柱形管材组合而成,这两种不同内径的管材称 为细管与粗管,两者长度皆为周期长度A的一半,滤波器工作频带决定周期长度A,一阶模 的截止频率决定平均内径R,细管内径为R_e,粗管内径为R+e。
[0044] 缺陷为内径与粗管内径相同的圆柱状缺陷,两侧波导的细管插入缺陷,总体呈现 一线性结构。缺陷B通过架子固定于光学平台E上,两侧波导CD与平移台A连接,通过平移台 调整两侧波导与缺陷B的相对位置得到不同的缺陷长度,从而实现可调谐的滤波功能。为了 达到1Hz的滤波分辨率,选用超精密重载型电控平移台组成一维平移系统,装配光栅尺,分 辨率0.0001毫米。
[0045] 本发明滤波器结构简单,易于实现,在工作带宽内,滤波频率可调谐,且具有很高 的调谐精度及高的带外抑制。
[0046]在直波导中增加周期结构,由于结构的引入,模式之间的正交性会被破坏,模式之 间会出现相互作用,当工作频率小于一阶模的截止频率时,高阶模没有激发,在波导内只存 在基模,设定这时基模的纵向波数为k,由于周期起伏结构的反射在入射基模相反方向上产 生一个纵向波数为_k的基模。当这两个波数的绝对值的和等于波导的波数的时候就会发生 传统意义上的布拉格共振,是反射波和入射波之间的相互作用,是基模之间的相互作用。
[0047]本发明由变截面周期中空圆柱形波导构成,变截面波导是由两种内径不同的圆柱 形管材组合而成,这两种不同内径的管材称为细管与粗管。在滤波器的中间部位引入缺陷, 缺陷为内径与粗管相同的圆柱形管材,缺陷引入的地方周期结构的完整性被破坏,声波局 域化,在缺陷处基模发生局域共振产生一个局域模式,表现为在禁带中产生一个单频透射 峰。此单频透射峰中心频率随着缺陷长度的变化而变化,长度变长,频率向低频移动。
[0048]如上所述周期变截面起伏波导结构参数可由布拉格共振机理给出,色散曲线如下 式:
[0050]其中,c为声速,f为透射谱的中心频率,p为第p阶横向模式,V为第p阶Bessel函数 的零点,/) = ()J,…=丨(U.8317,7.0丨56J0.1735,13.3237....丨..R是周期变截面波导的平均内 径,A是波导的周期长度,0是传播常数,n是Bragg共振的阶数,n的取值为0,1,2,3"_.:设定 f = 2500Hz,此时周期变截面中空圆柱形波导的平均内径R = 40mm,波导周期长度A = 70mm, 波导周期起伏参数e=〇. 1R,即细管内径为36mm,粗管内径为44mm。
[00511设定工作频率为2500Hz,因为周期变截面起伏波导结构参数由一阶布拉格共振给 出,设定一阶模的截止频率为5230Hz远高于工作频率,通过计算得到一阶布拉格共振条件 下的周期变截面波导的周期长度为A=70mm,平均内径为R = 40mm,周期起伏参数e取0.1, 即对应的细管和粗管内径为36毫米和44毫米。
[0052]见说明书附图2(b)为可调谐超窄带声滤波器加工组装图,图纸由solidworks软件 绘制,此发明具体实例所用管料为304不锈钢,管壁厚度5毫米,缺陷及左右波导使用数控车 床加工,一体成型,固定架根据实际尺寸设计,采用焊接的方法与缺陷及两侧波导连接,固 定架底部有M6螺纹孔用以和平移台,光学平台连接。
[0053]缺陷(B)通过架子固定于光学平台(E)上,两侧波导(CD)布置在平移台(A)上,两侧 波导的细管插入缺陷,为了保证缺陷与两侧波导之间组合的紧密,使用高分子凝胶溶液涂 抹于连接处,外部使用阻声纸进行密封。缺陷长度为细管之间的相对距离,可通过平移台调 整两侧波导与缺陷的相对位置得到不同的缺陷长度,从而实现可调谐的滤波功能。为了达 到lHz的滤波分辨率,选用超精密重载型电控平移台组成一维平移系统,装配光栅尺,分辨 率为0.0001毫米。
[0054] 图3所示为可调谐超窄带声滤波器的禁带中透射峰位置随缺陷长度变化曲线,选 择不同的缺陷长度得到对应长度下的透射峰中心频率。表1为不同缺陷长度下的透射峰中 心频率。图4为不同频率缺陷长度下的透射峰中心频率及拟合曲线,拟合结果为f = -10.01* 1+2753。
[0055] 表1不同缺陷长度下的透射峰中心频率
[0057]综上所述,本发明基于布拉格共振的变截面周期波导中缺陷模式的作用,实现了 在可听声波段的超窄带滤波的功能,单频声波的滤波在声学系统中有着很好的应用。本发 明设计方法简单,易于加工及组装。上述具体实施的结构参数只是为了更好的说明该发明, 在不同的应用场合,可改变结构尺寸及材料来满足各种条件。本发明的保护范围并不以上 述实施参数为限,但凡根据本发明所提出内容所做的参数细调或等效修饰,皆在权利要求 书记载的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种可调谐的超窄带声滤波器,其特征在于:由周期变截面起伏结构构成的中空圆 柱状金属壁波导,在波导中间引入内径与粗管内径相同的圆柱状缺陷。2. 根据权利要求1所述的一种可调谐的超窄带声滤波器,其特征在于:所述的缺陷两侧 波导周期个数均为10, Λ为周期长度和f为中心频率,每个周期的细管粗管长度相同为周期 长度Λ的一半,平均内径为R,周期起伏参数ε = 〇. IR,细管内径为R-ε,粗管内径为R+ε。3. 根据权利要求1所述的一种可调谐的超窄带声滤波器,其特征在于:滤波器管壁材料 为刚性材料,材料厚度为5毫米,滤波器内部为空气。
【文档编号】G10L21/0208GK105913852SQ201610289419
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】樊亚仙, 桑汤庆, 赵秋玉, 徐兰兰, 陶智勇
【申请人】哈尔滨工程大学
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