一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构

1.本实用新型涉及声学超构材料技术领域，具体是一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构。


背景技术：

2.低频声波由于其波长长，衍射效应明显，如何将低频声波控制在狭窄区域内实现高指向性传播，是一个重要而且有意义的课题。使波束产生准直效应，不仅能够提升传输的效率，而且还可以防止声反馈现象的发生。研究与实现高指向性波束，是一个有意义的课题并且得到了广泛的关注。如著名的艾瑞波束，艾瑞声波在传输中能抑制衍射效应,是一种重要的非衍射声束。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，此波束的传播距离较近，难以满足长距离传输要求。为了在声学中实现高指向性波束，较为常见的方法利用有源阵列来实现，例如通过多个扬声器组成在一个平面上的阵列，调整扬声器单元之间的相位差，通过在整个音频范围内的耦合，在一定区域范围内产生强指向性声束，但是带来造价昂贵，尺寸大的缺陷。第二种方法是将低频信号调制到超声信号中，通过微型换能器将该超声波信号发射。由于超声在空气中传播时和空气产生非线性交互作用，高频信号随着传播距离而衰减，最终自解调出的低频声束具有高度指向性。该类方法以非线性声学参量阵理论为基础。来得到声波强指向性的传输特性，不过这种方法带来功耗大，成本高等问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
5.一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构，包括刚性圆柱体，所述刚性圆柱体为中空结构，所述刚性圆柱体的内腔中间部位设置有螺旋结构，所述螺旋结构的上下两侧两侧均级联多个结构相同、大小不同的亥姆赫兹共鸣器，通过采用亚波长尺度的声人工结构，实现强指向性声辐射，利用超薄人工结构，实现产生高效准直波束的方法，螺旋结构不仅实现等波长或半波长处的f
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p共振现象，而且提高了结构中心的等效折射率，从而将f
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p共振频率向低频偏移，实现了更大波长、更低频率处的f
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p共振。
6.作为本实用新型进一步的方案：所述刚性圆柱体为超薄人工结构。
7.作为本实用新型再进一步的方案：所述刚性圆柱体的半径为55厘米，所述刚性圆柱体的高度为5厘米。
8.作为本实用新型再进一步的方案：所述螺旋结构的长度为176毫米。
9.作为本实用新型再进一步的方案：所述亥姆赫兹共鸣器的颈部高度均为6毫米，直径由中间向边侧依次为40毫米，50毫米，59毫米，67毫米，以及75毫米，此结构适用的声波工作频率点为965hz，通过调整每个亥姆赫兹共鸣器和中心螺旋结构的参数，可以改变声波工
作频率点。
10.作为本实用新型再进一步的方案：所述亥姆赫兹共鸣器呈扇形排列分布。
11.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
12.本发为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目的，和有源参量阵相比，其结构更简单高效，和传统被动人工结构相比，其深亚波长结构更小，更有可能实现低频处的准直效果，更适合窄带滤波器，超声成像或指向性扬声器等实际应用。
附图说明
13.图1为一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构的主视图。
14.图2为一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构的内部结构示意图。
15.图3为一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构中声传输指向性图。
16.图中：1、螺旋结构；2、亥姆赫兹共鸣器；3、刚性圆柱体。
具体实施方式
17.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
18.请参阅图1～3，本实用新型实施例中，一种产生强指向性声辐射的平面超薄结构，包括刚性圆柱体3，所述刚性圆柱体3为中空结构，所述刚性圆柱体3的内腔中间部位设置有螺旋结构1，所述螺旋结构1的上下两侧两侧均级联多个结构相同、大小不同的亥姆赫兹共鸣器2。
19.通过采用亚波长尺度的声人工结构，实现强指向性声辐射，利用超薄人工结构，实现产生高效准直波束的方法，螺旋结构1不仅实现等波长或半波长处的f
‑
p共振现象，而且提高了结构中心的等效折射率，从而将f
‑
p共振频率向低频偏移，实现了更大波长、更低频率处的f
‑
p共振。
20.所述刚性圆柱体3为超薄人工结构。
21.所述刚性圆柱体3的半径为55厘米，所述刚性圆柱体3的高度为5厘米。
22.所述螺旋结构1的长度为176毫米。
23.所述亥姆赫兹共鸣器2的颈部高度均为6毫米，直径由中间向边侧依次为40毫米，50毫米，59毫米，67毫米，以及75毫米，此结构适用的声波工作频率点为965hz，通过调整每个亥姆赫兹共鸣器2和中心螺旋结构1的参数，可以改变声波工作频率点。
24.所述亥姆赫兹共鸣器2呈扇形排列分布。
25.本实用新型的工作原理是：
26.通过采用亚波长尺度的声人工结构，实现强指向性声辐射，利用超薄人工结构，实现产生高效准直波束的方法，螺旋结构1不仅实现等波长或半波长处的f
‑
p共振现象，而且提高了结构中心的等效折射率，从而将f
‑
p共振频率向低频偏移，实现了更大波长、更低频率处的f
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p共振，当声波从结构下方垂直入射时，由于钢板作为硬性材料作为硬边界，阻挡
了声波的透射，因此声波仅能通过中心螺旋处进行传输，产生透射声波，且在f
‑
p共振频率点，透射声能量达到最大，在共振频率处，亥姆赫兹共鸣器2使得高阶散射波不再向四周逸散，而是沿结构表面形成声表面波并向中心螺旋处聚拢，和f
‑
p共振产生的透射波耦合，产生准直波束，由于波动的衍射效应，波束在传播过程中不断发散，普通透射声束并无明确的空间指向性，而一些具有很强指向性的辐射图样如偶极子，为了利用偶极子辐射场具有较好的指向性的特点，在本实用新型中，我们利用fabry
‑
perot共振来增强偶极子的辐射效率，因而具有很好的实用化前景。
27.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。