一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构

本发明涉及声学传感增强装置，特别是涉及一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构。

背景技术：

1、声学信号检测在结构健康检测、故障诊断、水声通信、声源定位等领域广泛应用。然而，声学信号中的有用信号比较微弱，容易被背景噪声信号所淹没，需要利用声学增强传感器辅助提取有用信号。

2、梯度声学超材料可以被视为声学增强传感器并应用于微弱信号检测。例如，使用梯度卷绕超材料来增强宽带声学传感，并有效地识别和恢复谐波信号，从强背景噪声中获取有用的信息；采用梯度折射率的梯形结构，通过声波的压缩效应有效增强压力场。由于信噪比的提高，可以有效地从背景噪声中恢复谐波和周期脉冲信号。利用具有梯度折射率的梯形结构，通过声波的压缩效应有效地增强了压力场。由于信噪比的提高，谐波和周期性脉冲信号可以有效地从背景噪声中恢复。之后，研究人员将这些超材料的频率选择性增强应用于故障诊断领域。使用喇叭形声学超材料证明了超材料在增强声学传感器中微故障信号方面的潜力。使用梯度声学超材料进行轴承故障诊断的新方法。然而，基于梯度声学超材料的声学信号检测设备体积较大，不便于携带。

3、mie谐振器属于另一种声学超材料，同样可用于增强声学传感并应用于微弱信号检测。然而，当信噪比较低时，mie谐振器无法有效检测故障特征，因此在故障诊断领域中尚未得到应用。

4、有鉴于此，如何设计一种在尺寸微型化后仍然能够提取有用信号、在信噪比较低时可以有效检测故障特征的传感设备，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，包括：底板以及竖直设置于底板上的内层mie共振器和外层mie共振器，所述内层mie共振器和外层mie共振器均为环形，且所述内层mie共振器位于所述外层mie共振器的内侧。

3、进一步的，所述外层mie共振器限定出第一通道，所述内层mie共振器限定出第二通道，所述第一通道连通外层mie共振器内外两侧的区域，所述第二通道连通内层mie共振器内外两侧的区域，所述第一通道和第二通道均蜿蜒布置。

4、进一步的，所述外层mie共振器与内层mie共振器的距离为d＝10mm。

5、进一步的，所述第一通道的宽度是第二通道的两倍。

6、进一步的，所述第一通道的宽度为w2＝3mm，所述第二通道的宽度为w1＝1.5mm。

7、进一步的，所述底板的厚度为h1＝10mm。

8、进一步的，所述内层mie共振器和外层mie共振器均由多个隔板间隔布置组成，在所述外层mie共振器中，相邻的隔板间隔布置形成第一通道，在所述内层mie共振器中，相邻的隔板间隔布置形成第二通道。

9、进一步的，所述隔板高度为h2＝60mm，厚度为t＝1mm。

10、进一步的，所述底板、内层mie共振器和外层mie共振器采用光敏树脂3d打印一体成型，其密度ρ＝1130kg/m3，弹性模量e＝2.65×103mpa，剪切模量g＝2.22×103mpa。

11、本发明公开了以下技术效果：

12、1.通过内外设置的两个mie共振器组成声学超材料结构，当声波从外向内传入时，依次经过第一通道和第二通道，第一通道和第二通道蜿蜒设置，延长了声波的传播距离和传播时间，提高了声波的折射率，使得特定频率范围内的声波实现集中与放大，从而更好的提取声波中的微弱信号；mie相比于现有的梯度声学超材料整体结构尺寸较小，对结构整体等比例缩放后，可以实现对增强频率的左右平移，频率增强范围可以实现从470hz到1764hz，并且基本不改变所增强的声压幅值大小，增强倍数均保持在24倍左右。

13、2.当信噪比较低时，若有用信号的频率恰好在声学超材料的频带增强范围内，则可以使得有用信号的幅值以倍数增大，从而便于检测。采用本申请结构检测到的有用信号的幅值相比于自由空间中的幅值高出14倍左右，也就是说，本申请能够有效检测故障特征，使得该设备能够应用于故障诊断领域。

技术特征：

1.一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，包括：底板(1)以及竖直设置于底板(1)上的内层mie共振器(2)和外层mie共振器(3)，所述内层mie共振器(2)和外层mie共振器(3)均为环形，且所述内层mie共振器(2)位于所述外层mie共振器(3)的内侧。

2.根据权利要求1所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述外层mie共振器(3)限定出第一通道，所述内层mie共振器(2)限定出第二通道，所述第一通道连通外层mie共振器(3)内外两侧的区域，所述第二通道连通内层mie共振器(2)内外两侧的区域，所述第一通道和第二通道均蜿蜒布置。

3.根据权利要求2所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述第一通道的宽度是第二通道的两倍。

4.根据权利要求3所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述第一通道的宽度为3mm，所述第二通道的宽度为1.5mm。

5.根据权利要求4所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述底板(1)的厚度为10mm。

6.根据权利要求5所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述内层mie共振器(2)和外层mie共振器(3)均由多个隔板间隔布置组成，在所述外层mie共振器(3)中，相邻的隔板间隔布置形成第一通道，在所述内层mie共振器(2)中，相邻的隔板间隔布置形成第二通道。

7.根据权利要求6所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述隔板高度为60mm，厚度为1mm。

8.根据权利要求7所述的一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，其特征在于，所述底板(1)、内层mie共振器(2)和外层mie共振器(3)采用光敏树脂3d打印一体成型，其密度ρ＝1130kg/m3，弹性模量e＝2.65×103mpa，剪切模量g＝2.22×103mpa。

技术总结
本发明提供一种增强声学传感的空间双层线圈声学超材料结构，涉及声学传感增强装置技术领域，包括：底板以及竖直设置于底板上的内层Mie共振器和外层Mie共振器。当声波从外向内传入时，依次经过第一通道和第二通道，第一通道和第二通道蜿蜒设置，延长了声波的传播距离和传播时间，提高了声波的折射率，使得特定频率范围内的声波实现集中与放大，从而更好的提取声波中的微弱信号；Mie共振器相比于现有的梯度声学超材料整体结构尺寸较小，对结构整体等比例缩放后，可以实现对增强频率的左右平移，频率增强范围可以实现从470Hz到1764Hz，并且基本不改变所增强的声压幅值大小，增强倍数均保持在24倍左右。

技术研发人员：肖汇洋,王龙,耿林
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/7