专利名称：利用超构材料改善低频声波的指向性的方法
技术领域：
本发明涉及利用超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输的方法。
背景技术：
由于波动的衍射效应，波束在传播过程中不断发散，如何使低频波在空间中进行有向传播，是一个古老而又重要的课题。使波束进行有向传播的重要性，不仅在于能够节省传输的能量，对于传输信号的保密性，来的更为重要。研究与实现非衍射波束、低衍射波束或者高指向性波束，是一个非常重要而且有意义的课题，并且得到了广泛的关注。最著名的非衍射波束是贝塞尔型波束，其辐射器的辐射分布呈贝塞尔函数状。但是，产生这样的波 束，对于辐射器的阵列设计要求非常高，而且，理论上，要获得此形式的波束，辐射器所需要辐射的能量是无限大的。在不同领域中，为了获得较好的定向传输特性，学者们研究了许多不同的方法。在微波通信中，通过设计不同种类的天线阵以及喇叭天线，来实现电磁波的有向传输。在声学中，通过设计不同种类的声柱来实现超指向性声波的传输，但这些设计都是以复杂的设计结构作为代价的，并且随着频率的降低，指向性变得越来越差。而且，这类设计的方法其辐射器的尺度，都是和波长在相同数量级。声学中，另一种实现超指向性波束方法是利用声波的非线性效应，进行声参量发射阵的设计，来得到差频波的低频超指向性传输特性。不过这种方法所产生的差频波的效率非常低，是以损失巨大能量的代价来换取低频声波的指向性传输。
发明内容
本发明的目的是采用超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输。本发明的技术方案利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是采用超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输；所述超构材料为两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板，两块钢板中间构成细缝；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的周期长度分别为3. 6±0. I厘米以及8±0. 5毫米；细缝的宽度为2±0. 5毫米，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上、总高度为25厘米；亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽度分别为O. 5±0. 04毫米以及1±0. 04毫米，亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为5±0. 04毫米；此结构适用的声波频率范围为8kHz到12kHz。需要说明的是，调整亥姆赫兹共鸣器的钢板和细缝的结构参数结构参数，可以改变适用频率范围。通过亥姆赫兹共鸣器的共振特性，调节辐射平面的边界条件，将其从硬边界条件转换为软边界条件，从而实现偶极子辐射声场。利用Fabry-Perot共振,使声波波长接近钢板厚度，来增强偶极子的福射效率。图
ICa)为实现高辐射效率的偶极子辐射场的样品结构的俯视图。
根据镜像原理，在无限大硬平面(刚性边界条件)上方的点声源所辐射的声场，可以等效为其本身的点源所产生的声场与在关于平面的对称位置的同相位振动的点声源所产生的声场的线性叠加。而在无限大软平面(自由边界条件)上方的点声源所辐射的声场，可以等效为其本身的点源所产生的声场与在关于平面的对称位置的反相位振动的点声源所产生的声场的线性叠加。此时，此点声源以及虚拟的镜像点声源可以看作一对偶极子。利用偶极子辐射场，来提供高指向性波束，是本发明的基本原理。但根据传统波动理论，高次极子的辐射效率要远远低于低次极子的辐射效率。比如偶极子的辐射效率要远低于单极子。为了利用偶极子辐射场具有较好的指向性的特点，并获得较高的辐射效率，在本发明中， 我们利用Fabry-Perot共振来增强偶极子的辐射效率。在实验中，观察到，此共振效果可以使偶极子的辐射效率达与单极子相同数量级的辐射效率，且无旁瓣。获得偶极子的关键是要获得软边界条件，或者近似软边界条件。这在低阻抗介质中是比较困难的。比如空气中，由于空气与钢的声阻抗差异巨大，通常认为钢板的表面为刚性边界条件。本发明利用引入特殊的声学单元器件(本实验中为二维亥姆赫兹共鸣器)来调节钢板的等效声阻抗率，来获得近似软边界条件，从而实现偶极子辐射场。本发明的有益效果是，与现有技术相比具有如下的特点，利用偶极子辐射场，具有较好的指向性的特点，来获得高指向性波束的传播。利用Fabry-Perot共振效果，来克服偶极子辐射效率低的特点，从而大大增强辐射效率。利用亚波长声学结构，改变边界的等效声阻抗率，大大减小了器件的尺度。实现高指向性效果的声波的波长，可以远大于结构的晶格常数，这为器件的小型化成为可能。获得的声场的指向性好，且无旁瓣。此方法可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率透镜成像。
四
图I本发明实验装置图。图2 (a)为实现高辐射效率的偶极子辐射场的样品结构的俯视图。样品结构图；图2 (b)没有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板。图3实验与数值计算所获得的样品指向性图，其中图3Ca)为实验获得的平面波透过图2 (a)所示结构的声场的强度分布图。图3 (b)为数值计算获得的平面波透过图2(a)所示结构的声场的强度分布图。图3 (C)为实验获得的平面波透过图2 (b)所示结构的声场的强度分布图。图3 (d)为数值计算获得的平面波透过图2 (b)所示结构的声场的强度分布图。五、具体实现方案图2中，超构材料I、扬声器2计算机3、转台4、分析仪5功率放大器6、传声器7、输出信号8、输入信号9。为了验证发明的有效性以及可行性，我们进行了实验以及数值计算。实验在消声室进行，以避免反射波对实验精度的干扰。实验的材料为钢，实验在空气中进行。图I为进行实验的装置图。将样品(超构材料)1和扬声器2放在由计算机3控制的转台4上，样品的细缝的开口处位于转台的转动中心。扬声器2连接由分析仪5控制的功率放大器6,分析仪的型号为 3560B Briiel & Kjaer Pulse Sound and Vibration Analyzer,分析仪由计算机进行控制。扬声器模拟平面波从一个侧面入射到结构上。在结构的另一侧面，用传声器(l/4inch麦克风)对声波通过结构的声场进行扫描。传声器连接分析仪，利用转台对样品的转动，获得角度方向的扫描，利用传声器与细缝的距离的控制，获得径向方向的扫描，从而获得二维全方位的声场扫描图。本发明的结构样品图如图2所示。图2 (a)为实现高辐射效率的偶极子辐射场的样品结构的俯视图。样品为一中间开有单细缝的两边级联上多个亥姆赫兹共鸣器的钢板。钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的周期长度分别为3. 6厘米以及8毫米。细缝的宽度为2毫米，结构的总宽度为25. 8厘米，结构的总高度为25厘米。亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽度分别为O. 5晕米以及I晕米，亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为5晕米。为了与图2 (a)所示结构的效果进行对比，我们设计了没有级联亥姆赫兹共鸣器的钢板，如图
2(b)所示。其为实现高辐射效率的单极子辐射场的样品结构的俯视图。其余参数与图2(a)所示样品完全一致。传声器连接分析仪，图3为实验与数值计算所获得的样品指向性图。图3(a)为实验获得的平面波 透过图2 (a)所示结构的声场的强度分布图。图3 (b)为数值计算获得的平面波透过图2(a)所示结构的声场的强度分布图。图3 (C)为实验获得的平面波透过图2 (b)所示结构的声场的强度分布图。图3 (d)为数值计算获得的平面波透过图2 (b)所示结构的声场的强度分布图。可以看出，实验所获得的声场分布与通过数值计算所获得的声场分布吻合的相当好，图3 (c)和图3 (d)得到单极子的辐射声场，图3 (a)和图3 (b)得到了偶极子的辐射声场，通过超材料的结构，获得了高指向性的辐射声场。本发明提出了一种新型声学结构来实现低频声波的高指向性方法，即利用级联二维亥姆赫兹共鸣器，将钢板的等效边界条件从硬边界调节成软边界的情况，实现偶极子辐射声场效果，并利用Fabry-Perot共振，增强偶极子的辐射效率。利用亥姆赫兹共鸣器的共振特性，调节辐射平面的边界条件，将其从硬边界条件转换为软边界条件。为实现本发明效果的声波的波长，波长远大于结构的晶格常数，这为器件的小型化成为可能。获得的声场的指向性好，且无旁瓣。此方法可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率透镜成像。
权利要求
1.利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是采用超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输；所述超构材料为两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板，两块钢板中间构成细缝；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的周期长度分别为3. 6±0. I厘米以及8±0. 5毫米；细缝的宽度为2±0. 5毫米，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上、总高度为25厘米；亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽度分别为O. 5±0. 04晕米以及I ±0. 04晕米,亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为5±0. 04毫米；此结构适用的声波频率范围为8kHz到12kHz。
2.根据权利要求I所述的利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，其特征是调整亥姆赫兹共鸣器的钢板和细缝的结构参数，用于改变适用频率范围。
全文摘要
利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，采用超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输；所述超构材料为两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板，两块钢板中间构成细缝；钢板的厚度以及亥姆赫兹共鸣器的周期长度分别为3.6±0.1厘米以及8±0.5毫米；细缝的宽度为2±0.5毫米，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上、总高度为25厘米；亥姆赫兹共鸣器的颈部的长度和宽度分别为0.5±0.04毫米以及1±0.04毫米，亥姆赫兹共鸣器的腔体的长度与宽度都为5±0.04毫米；此结构适用的声波频率范围为8kHz到12kHz。
文档编号H01Q9/16GK102904061SQ201210358178
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者全力, 刘晓宙 申请人:南京大学