一种基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机的制作方法

本发明涉及声学成像技术领域，具体地，涉及一种基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机。

背景技术：

声学成像在声学目标跟踪、临床治疗、结构健康监测中具有重要应用。目前声学成像主要基于声学传感器阵列，通过传感器阵列拾取声学信号，并结合各种成像算法，可以实现对空间声场较高精度的成像。然而声学传感器阵列需要多通道数据同步采集，成像的空间分辨率和带宽依赖于传感器数量和阵列孔径，因而系统复杂、体积庞大、成本较高，限制了声学传感器阵列的应用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机。

根据本发明提供的一种基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机，包括：

至少一个声学通道模块，所述声学通道模块内设置有空间折叠结构的声学通道，所述声学通道的一端为声学输入端，另一端为声学输出端，不同所述声学通道模块之间相邻放置且所述声学输出端朝向同一位置；

一个声学传感器，设置于所有所述声学输出端所朝向的所述位置；

声波从至少一个所述声学通道模块的声学输入端进入所述声学通道，对入射声波进行方向性调制，再由声学输出端输出后被所述声学传感器获取。

较佳的，所述空间折叠结构的声学通道包括呈左右来回弯曲的声学通道。

较佳的，所述声学通道模块呈扇形或梯形，至少两个扇形或梯形左右相邻排列弧线形或圆环形。

较佳的，至少两个弧线形或圆环形上下堆叠呈弧线柱或圆环柱。

较佳的，所述声学通道模块呈矩形，至少两个矩形左右相邻排列呈一行。

较佳的，至少两行上下堆叠呈矩阵结构。

较佳的，所述声学通道模块呈圆锥形，至少两个圆锥形相邻排列呈完整或不完整的球体。

较佳的，还包括：信号调理模块、数据采集模块和计算机；

所述信号调理模块与所述声学传感器电连接，对获取到的声波进行放大、滤波；

所述数据采集模块与所述信号调理模块电连接，采集放大、滤波后的声波；

所述计算机采用预设的算法对采集的声波进行处理。

较佳的，不同所述声学通道模块之间的声学通道结构不同。

较佳的，所述声学通道模块采用3d打印、激光切割或数控加工制造方法制成，材质包括塑料、金属。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)、与现有的声学传感器阵列技术相比，本发明只包含一个声学传感器，不需要多通道数据同步采集，具有系统简单、体积小、成本低等优点；

(2)、本发明成像精度高，工作频带宽，结构参数化、模块化，容易实现小型化和模块化改进；

(3)、本发明装置可采用3d打印制造，可以根据具体应用场景进行快速设计与制造，具有成本低、普适性强等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中声学通道模块的结构示意图；

图2为本发明一实施例中声学通道模块左右排列的示意图；

图3为本发明一实施例中声学通道模块上下堆叠排列的示意图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图5为本发明的训练、测试流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本发明提供的一种基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机，包括：

至少一个声学通道模块1，声学通道模块1内设置有空间折叠结构的声学通道101，声学通道101的一端为声学输入端，另一端为声学输出端，不同声学通道模块1之间相邻放置且声学输出端朝向同一位置。声学通道模块1采用声学超材料制成，具体可采用3d打印、激光切割、数控加工等制造方法，材质可选用塑料、金属等。不同声学通道模块1之间的声学通道结构不同。

一个声学传感器2，设置于所有声学输出端所朝向的位置，该位置通常设置为声腔。

本发明的工作原理为：声波从至少一个声学通道模块1的声学输入端进入声学通道101，发生fabry–pérot共振，其共振频率与声波在声学通道101中的传播路径有关。声学通道101的尺寸、长度、弯折次数都会对声波的传播路径产生影响，从而影响对入射声波的频率调制。不同的声学通道模块1相邻放置，可以对入射声波在幅值和相位上产生方向性调制，再由声学输出端输出后被声学传感器2获取。

在本实施例中，空间折叠结构的声学通道101包括呈左右来回弯曲的声学通道。

声学通道模块1可以呈扇形或梯形，至少两个扇形或梯形左右相邻排列弧线形或圆环形，在单层结构的基础上，也可通过至少两个弧线形或圆环形上下堆叠呈弧线柱或圆环柱。

声学通道模块1也可以呈矩形，至少两个矩形左右相邻排列呈一行，在单层结构的基础上，也可通过至少两行上下堆叠呈矩阵结构。

或者，声学通道模块1呈圆锥形，至少两个圆锥形相邻排列呈完整或不完整的球体。

本发明对声学通道模块1的形状、排列放置方式不做具体的限定。

信号调理模块3与声学传感器2电连接，对获取到的声波进行放大、滤波；数据采集模块4与信号调理模块3电连接，采集放大、滤波后的声波；计算机5采用预设的算法对采集的声波进行处理。

如图5所示，本发明的具体执行过程包括训练与测试两部分。

训练部分包括以下步骤：

步骤(1)、对即将进行成像的目标空间进行网格划分；

步骤(2)、将扬声器放置在不同网格位置，播放测试信号；

步骤(3)、单传感器声学相机内的声学传感器拾取信号，采集并处理声学传感器的输出信号，获得单传感器声学相机的空间频响特性；

步骤(4)、获取已知音频信号集，并与单传感器声学相机空间频响特性一起构建后续用于压缩感知算法的测量矩阵。

测试部分包括以下步骤：

步骤(1)、在音频信号集中随机选择音频信号；

步骤(2)、采用多个扬声器作为未知声源，在目标空间内同时播放选择好的音频信号；

步骤(3)、采集声学传感器拾取的输出信号；

步骤(4)、利用压缩感知算法对声源信息进行重构，得到包含目标空间声源位置信息等的声学图像。

本发明基于空间折叠声学超材料的单传感器声学相机可以实现多声源成像，其成像精度较高，且具有尺寸小、成本低、易于模块化改进等优点。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。