闭空间结构6 属于Helmholtz共振器结构，其尺寸参数根据Helmholtz共振器的结构参数特征设计；所述 半封闭空间结构6通过弧面上的η个通孔51和外界相通，所述各通孔孔壁511光滑且与通 孔中心轴线10平行，所述通孔中心轴线10相交于同一焦点0 ;所述电声换能器3位于空腔 4的Al端接口 41，所述凹曲面5位于空腔4的Α2端接口 42,所述空腔4的尺寸参数小于 聚焦声波的波长；所述导线2将信号源1和电声换能器4组成闭合回路；所述电声换能器3 的工作频率、半封闭空间结构6的共振频率和凹曲面5聚焦声波的频率相等。
[0045] 所述凹曲面5可以是球面结构；根据通孔51的个数n、弧面上通孔阵列分布方式 和从焦点0到凹曲面5顶点P的焦距线段OP的长度D设计弧面52上的各通孔51的中心 轴线方向、各通孔51在凹曲面5上的位置。
[0046] 所述凹曲面5是凹形的面结构，所述凹曲面5可以是抛物面结构。
[0047] 所述信号源1是具有调节输出功率功能的信号发生器，所述电声换能器3是电磁 式或压电式电声换能器。
[0048] 本发明的一种增强的声学聚焦装置的工作原理和过程是：信号源1产生频率与半 封闭空间结构6共振频率相等的电信号，激励位于半封闭空间结构6底部的电声换能器3 产生同频率的小振幅声波，进而驱动半封闭空间结构6内的空气以相等的频率同步振动， 激发通孔51内的空气柱在通孔51内进行强烈的往复运动，并以通孔51的中心轴线方向向 外界辐射与通孔51同等数量的多束大振幅声波，在焦点0处相遇、干涉叠加后产生高能量 的声能聚焦点。
[0049] 如图3所示是焦点和凹曲面顶点示意图，所述焦点8是焦点定位线80与凹曲面中 心轴线92的交点，所述凹曲面顶点9是凹曲面顶点的横向定位线91在凹曲面5上的切点， 所述凹曲面的焦点8和凹曲面的顶点9同时位于凹曲面的中心轴线上。
[0050] 所述弧面52上各通孔51的中心轴线相交于焦点0,根据弧面上通孔51的个数η 和焦点0到凹曲面顶点P的距离D确定弧面52上各通孔51的位置和各通孔中心轴线方向。
[0051] 本发明装置中电声换能器3的工作频率、凹曲面5聚焦声波的频率均和半封闭空 间结构6的共振频率相等，该装置中半封闭空间结构6的各几何尺寸参数与频率的关系满 足：
[0052]
[0053] 式中fe、ff、f。分别为电声换能器3的工作频率、凹曲面5聚焦声波的频率和半封 闭空间结构6的共振频率。c。为声速，d i (i = 1，2, ... η)为弧面上第i个通孔孔径（各个 通孔的孔径相同），n为弧面上通孔51的个数（η为整数，且η多3)，V为半封闭空间结构6 的内部容积，ζ为凹曲面5厚度。在装置的实际设计和运行中，要求f；= ff= f。。
[0054] 进一步，对于一个具体工程聚焦案例，聚焦声波的频率ff和聚焦焦点位置为需要 满足的工程聚焦需求，进而需要设计合适的装置结构。设计方法是，根据允许客观环境条 件，拟定聚焦装置，进而可以确定本发明装置的焦距OP的长度D。在f e= f。= f f的设计约 束条件下，电声换能器的工作频率、半封闭空间结构的共振频率和凹曲面聚焦声波的频率 为已知量。在预设定装置的弧面上的通孔个数η和阵列分布方式（如图1~7, η = 81，i =1，2，... 8)后，第i个通孔到凹曲面中心轴线的距离R1(如图4, i = 1，2，... 8)为已知 量。弧面的厚度z由式z = (2m+l)cQ/(2fQ)-D计算，其中m为整数且m彡0 ;弧面上各通孔 中心轴线方向根据通孔中心轴线I1与凹曲面中心轴线L的夹角Θ i
确定； CN 105139847 A 说明书 5/5 页 根据约束条件.
，设计装置结构的各个尺寸参数。
[0055] 进一步，对于另一个工程聚焦案例，当需求聚焦焦点和允许本发明聚焦装置能够 所处的位置确定后，焦距OP的长度D为已知变量，需要设计合适的装置结构。在预设定装 置的通孔个数η和通孔在弧面上的阵列分布方式后，（如图1~7, η = 81，i = 1，2，... 8) 后，第i个通孔到凹曲面中心轴线的距离R1(如图4，i = 1，2，...8)为已知量，计算通孔中 心轴线I1与凹曲面中心轴线L的夹角Θ iU?. =arcsin|、进而确定通孔中心轴线I1。在 预设定聚焦声波的频率ff后，根据L= f C= f f确定电声换能器工作频率、凹曲面聚焦声波 的频率和半封闭空间结构的共振频率；弧面的厚度z由式z = (2m+l) 计算，其
中m为整数且m多0 ;根据约束条件 设计装置结构的各 个尺寸参数。
[0056] 进一步，如图8所示，是本发明的一种增强的声学聚焦装置产生2个聚焦点的一种 实施例。所述弧面上各通孔的对应中心轴线分别相交于焦点81和82,即相交于焦点81的通 孔中心轴线是1011、1021、1071、1081，相交于焦点82的通孔中心轴线是1031、1041、1051、 1061。本发明装置在运行时，所述电声换能器的小振幅声波经半封闭空间结构6增强为多 束大振幅声波，大振幅声波向外界辐射时，一部分声波按照通孔中心轴线（如1011、1021、 1071、1081)的方向向焦点81处传播，另一部分声波按照通孔中心轴线（如1031、1041、 1051、1061)的方向向焦点82处传播。分别汇聚在焦点81和焦点82处的声束经过相互干 涉和叠加后在焦点81和焦点82处产生声学能量聚焦。进一步，根据此方法，本发明的一种 增强型声学聚焦装置可以产生多个聚焦点。
[0057] 进一步，如图9所示，是本发明的一种增强的声学聚焦装置的另一种实施例，所述 凹曲面5、扩张形空腔43和电声换能器3按照凹曲面5的中心轴线方向依次紧密串联连接。 所述扩张形空腔43为扩张结构的声通道并属于Helmholtz共振器结构，所述扩张形空腔43 同时具有扩张形通道和Helmholtz共振器的特征。电声换能器3产生的小振幅声波经扩张 形空腔43后增强为多束大振幅声波，在焦点8处相遇、干涉叠加后产生声能聚焦点。
【主权项】
1. 一种增强的声学聚焦装置，包括信号源（1)和导线（2)，其特征在于，包括电声换能 器⑶和半封闭空间结构（6);所述导线⑵将信号源⑴和电声换能器（3)组成闭合回 路； 所述半封闭空间结构（6)包括空腔（4)、电声换能器（3)和凹曲面（5);按照凹曲面（5) 的中心轴线依次紧密串联凹曲面（5)、空腔（4)和电声换能器（3); 所述半封闭空间结构（6)通过弧面上的n个通孔（51)与外界相通，所述各通孔（51) 的孔壁（511)光滑且与通孔中心轴线（10)平行，所有的通孔中心轴线（10)相交于同一焦 点（O); 所述电声换能器（3)位于空腔（4)的Al端接口（41)处，所述凹曲面（5)位于空腔（4) 的A2端接口（42)处； 所述半封闭空间结构（6)为Helmholtz共振器结构； 所述空腔（4)的空腔最大横向截面的特征长度（44)和空腔最大纵向截面的特征长度 (45)均小于聚焦声波的波长。2. 如权利要求1所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，凹曲面（5)包括弧面 (52)，弧面（52)上环形阵列分布n个通孔（51)，其中，n取不小于3的整数。3. 如权利要求2所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述凹曲面（5)是凹形 的球面结构。4. 如权利要求2所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述凹曲面（5)是抛物 面结构。5. 如权利要求1所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述电声换能器（3)的 工作频率、半封闭空间结构（6)的共振频率和凹曲面（5)聚焦声波的频率相等。
【专利摘要】本发明公开了一种增强的声学聚焦装置，包括信号源、导线、电声换能器和半封闭空间结构，半封闭空间结构由空腔、电声换能器和由弧面及在弧面上阵列分布多个通孔的凹曲面组成，各通孔的中心轴线相交于同一焦点,半封闭空间结构通过通孔和外界连通，半封闭空间结构属于Helmholtz共振器结构，其各个尺寸参数根据Helmholtz共振器的结构参数特征设计；弧面上各通孔的位置和方向由通孔的个数、弧面上通孔的阵列分布方式和焦点到凹曲面顶点的距离确定；半封闭空间结构的共振频率、电声换能器的工作频率和凹曲面聚焦声波的频率相等。利用Helmholtz共振器的声压放大原理和多通孔的凹曲面聚焦方式实现增强的声学聚焦功能。
【IPC分类】G10K11/26
【公开号】CN105139847
【申请号】CN201510501627
【发明人】董卫, 程梅, 乔正辉, 杨良华
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月14日