一种利用超材料实现的指向性声源阵列及指向性调节方法与流程

本发明属于声学，尤其涉及一种利用超材料实现的指向性声源阵列及指向性调节方法。

背景技术：

1、参量声学阵利用调制和包络平方的方法将音频信号调制在高频(超声频率)载波信号上，然后使用超声换能器将调制信号发射出去实现强指向性，但是其在设计、制造和操作上较复杂，扬声器阵列通过控制阵元间距与波长的比值并且利用超指向性波束形成实现强指向性，但是阵列尺寸往往较大，在设计制造上较复杂。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种利用超材料实现的指向性声源阵列及指向性调节方法，将指向性装置进行组合形成阵列，从而实现可调控波束方向和宽度的指向性声源阵，同时在多个方向实现声源在远场位置处的超指向性。

2、一种利用超材料实现的指向性声源阵列，包括无指向声源和多个分布在无指向声源周围的指向性装置，且各指向性装置的指向性效果随着无指向声源和指向性装置之间距离的变化而变化，可在多个方向上同时实现无指向声源的超指向性；其中，所述指向性装置整体为圆柱体结构，且圆柱体内部开有贯穿圆柱体的单层扇环腔或双层扇环腔，当扇环腔的层数为单层时，圆柱体内部开有四个单层扇环腔，且每个单层扇环腔的弧形侧壁均开有贯穿圆柱体的缝隙，并将该缝隙作为喉管，单层扇环腔作为单层曲面共鸣器；当扇环腔的层数为双层时，圆柱体内部开有八个扇环腔，其中，八个扇环腔由四个内侧扇环腔和四个叠加在内侧扇环腔外部的外侧扇环腔组成，且双层扇环腔中每个扇环腔的弧形侧壁均开有贯穿圆柱体的缝隙，并将该缝隙作为喉管，每一组由内侧扇环腔和外侧扇环腔叠加形成的双层扇环腔作为双层曲面共鸣器，同属一组双层扇环腔的内侧扇环腔和外侧扇环腔对应相同腔体张角的同时，喉管的设置位置对应的角度也相同。

3、进一步地，当扇环腔的层数为单层时，各单层扇环腔的深度、喉管宽度以及喉管深度均满足如下关系：

4、α1＝2*arcsin(0.55/(1-d2))

5、β2＝2*arcsin(d1)

6、ri1＝1-d2-li1

7、ri2＝1-d2

8、ri3＝1

9、其中，α1为当前单层扇环腔的腔体张角，β1为当前单层扇环腔的喉管张角，d1为当前单层扇环腔的喉管宽度，d2为当前单层扇环腔的喉管深度，li1为当前单层扇环腔的腔体深度，ri1为当前单层扇环腔的底部圆弧所属圆形的半径，ri2为当前单层扇环腔的喉管底部圆弧所属圆形的半径，ri3为当前单层扇环腔的喉管顶部圆弧所属圆形的半径；

10、当扇环腔的层数为双层时，各双层扇环腔的深度、喉管宽度以及喉管深度满足如下关系：

11、α2＝2*arcsin(0.55/(1-d2))

12、β2＝2*arcsin(d1)

13、ri1＝1-d2*2-li1-li2

14、ri2＝1-d2*2-li1

15、ri3＝1-d2-li1

16、ri4＝1-d2

17、ri5＝1

18、其中，α2为当前双层扇环腔的腔体张角，β2为当前双层扇环腔的喉管张角，d1为当前双层扇环腔的喉管宽度，d2为当前双层扇环腔的喉管深度，li1为当前双层扇环腔中内侧扇环腔的腔体深度，li2为当前双层扇环腔中外侧扇环腔的腔体深度，ri1为当前双层扇环腔中内侧扇环腔的底部圆弧所属圆形的半径，ri2为当前双层扇环腔中内侧扇环腔的喉管底部圆弧所属圆形的半径，ri3为当前双层扇环腔中内侧扇环腔的喉管顶部圆弧所属圆形的半径，ri4为当前双层扇环腔中外侧扇环腔的喉管底部圆弧所属圆形的半径，ri5为当前双层扇环腔中外侧扇环腔的喉管顶部圆弧所属圆形的半径。

19、进一步地，各扇环腔的尺寸不完全相同，其中，各扇环腔的尺寸、无指向声源和各指向性装置之间的距离采用粒子群优化算法优化得到，且在优化过程中，以各指向性装置设定角度方向上的指向性因数e均大于设定值为目标函数。

20、进一步地，当扇环腔的层数为单层时，各扇环腔上喉管的设置位置对应的角度分别为0,π/2,π,3π/2；当扇环腔的层数为双层时，各组双层扇环腔上喉管的设置位置对应的角度分别为0,π/2,π,3π/2。

21、一种利用超材料实现的指向性声源系统的声源指向性调节方法，包括以下步骤：

22、为各扇环腔的尺寸参数组合、无指向声源和各指向性装置之间的距离设定初始值，其中，尺寸参数组合包括腔体张角、喉管张角、喉管宽度、喉管深度、腔体深度、腔体底部圆弧所属圆形的半径、喉管底部圆弧所属圆形的半径、喉管顶部圆弧所属圆形的半径；

23、将尺寸参数组合的初始值代入各单层曲面共鸣器或各双层曲面共鸣器对应的声压波动方程、声学边界条件以及阻抗转移公式，得到各单层曲面共鸣器或各双层曲面共鸣器在各个角度方向上不同半径处的声阻抗；

24、根据各单层曲面共鸣器或各双层曲面共鸣器在各个角度方向上不同半径处的声阻抗，获取各单层曲面共鸣器或各双层曲面共鸣器在各个角度方向上的入射波声压和散射波声压；

25、根据各单层曲面共鸣器或各双层曲面共鸣器在各个角度方向上的入射波声压和散射波声压，获取各指向性装置在各角度方向上的指向性因数e；

26、判断各指向性装置设定角度方向上的指向性因数e是否均大于设定值，若为是，则完成各指向性装置的声源指向性调节，若为否，采用粒子群优化算法更新各扇环腔的尺寸参数组合、无指向声源和各指向性装置之间的距离的取值，再采用更新后的取值重新获取各指向性装置在各角度方向上的指向性因数e，直到各指向性装置设定角度方向上的指向性因数e均大于设定值，完成各指向性装置的声源指向性调节。

27、进一步地，当各扇环腔的尺寸参数为定值时，无指向声源和各指向性装置之间的距离与所述圆柱体结构的直径之间的差值均小于设定阈值时，各指向性装置的指向性效果最优。

28、有益效果：

29、1、本发明提供一种利用超材料实现的指向性声源阵列，包括无指向声源和四个均匀分布在无指向声源周围的指向性装置，在圆柱体内部设置贯穿圆柱体的单层扇环腔或双层扇环腔，得到单层曲面共鸣器形式的指向性装置和双层曲面共鸣器形式的指向性装置；然后利用多共鸣器耦合圆柱体结构调控声波，在较低的频率范围内激活出圆柱体结构单极子模式和偶极子模式相互耦合的共振模态，利用声源激发的圆柱体结构共振模态与声源本身相耦合相互作用，使得声波除在指定方向具有能量，其余方向均被抵消，从而实现声源在远场位置处的超指向性；本发明采用四个指向性装置组成指向性阵列，能够同时在多个方向上实现超指向性，为指向性声源制备提供了条件。

30、2、本发明提供一种利用超材料实现的指向性声源阵列，选择粒子群优化算法对共鸣器的参数、无指向声源和各指向性装置之间的距离进行求解，能够得到指向性声源阵列的最优设计参数；在得到整个指向性阵列的优化参数以后，在仿真软件中进行建模，并进行计算得到整个指向性阵列的指向性效果，试验证明，单层曲面共鸣器和双层曲面共鸣器均能实现较好的指向性。

31、3、本发明提供一种声源指向性调节方法，在各扇环腔的尺寸、无指向声源和各指向性装置之间的距离取不同的值的情况下，获取各指向性装置的声阻抗，然后根据声阻抗获取声压数据，最后根据声压数据获取各指向性装置各个方向上的指向性因数e，若指定位置处的指向性因数e不符合要求，采用粒子群优化算法重新优化各指向性装置各扇环腔的尺寸、无指向声源和各指向性装置之间的距离，从而实现各指向性装置的声源指向性调节；也就是说，本发明将四个完全相同的指向性装置进行了组合放置，可实现四个方向波束的发射，适用范围广。