一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构

本发明涉及声传感增强，特别是涉及一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构。

背景技术：

1、声学传感结构和声源定位结构在军事与航天测控、工业测量、水声通信、结构健康监测、燃气管道泄漏检测、地震预测等领域起着至关重要的作用。但是在实际生产过程中，所需要的有用信号通常十分微弱，容易被复杂的背景噪声干扰，例如摩擦冲击或材料结构损坏引起的谐波信号非常微弱，可能被强背景噪声淹没。因此如何消除背景噪声的干扰，增强有用信号的传输，实现声学传感的增强，加强声源定位是目前声学传感结构和声源定位结构的主要研发方向。

2、声学超材料是一种具有双负参数的人工复合材料，通过改变声学超材料的结构，可以对声波的传播实现调控，实现例如声波导、隔声降噪、声学增强、声聚焦、声隐身、声棱镜等特殊声学特性，这些特殊声学特性为基于声学超材料的声学增强和声源定位技术的发展提供了技术基础。例如，梯度超材料能通过空间变化的单元格实现宽带声波的隔离；利用钢铁材料矩形板构成的梯度折射率结构，可通过强压缩波效应实现声波传感的增强，从而克服了传统声波传感器的探测极限；利用具有高折射率介质的超材料制造盘绕结构，可减小超材料结构的尺寸，实现声能聚焦，在盘绕结构中，声波被迫在通道系统中传播，大大增加了总传播时间，从而产生低声速和高折射率的效果。

3、然而，目前声学超材料结构整体尺寸偏大，结构设计中构件的尺寸参数都是固定不变的，声学超材料结构中气隙深度只会呈现线性变化，因此有时会出现超材料波导与背景介质(空气)之间的波矢量和模场不匹配的现象。

4、有鉴于此，如何提供一种结构紧凑、尺寸适宜、能够避免超材料波导与背景介质之间的波矢量和模场不匹配的声学超材料结构，是本领域人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，包括：声栅板，所述声栅板有多个并竖直设置，多个所述声栅板沿设定方向间隔排列，相邻的所述声栅板之间形成空气气隙，多个所述空气气隙的宽度沿设定方向递增，多个所述空气气隙的深度沿设定方向呈非线性递增；

3、构件，多个所述声栅板的上端位于同一水平面，所述构件的上表面具有弧形面，所述弧形面与多个所述空气气隙的深度适配且所述声栅板的下端与所述弧形面固定连接；

4、薄板，所述薄板有多个，多个所述薄板位于多个所述空气气隙内并沿上下方向均匀间隔设置，位于同一所述空气气隙内的多个所述薄板交叉设置并与相邻的所述声栅板固定连接，多个所述薄板的长度沿设定方向递增。

5、进一步的，多个所述声栅板的宽度相同，厚度沿设定方向递增。

6、进一步的，多个所述声栅板的宽度w＝150mm，沿设定方向厚度递增规律满足tn＝t1+(n-1)×s1，其中t1＝3.95mm，tn为第n个所述声栅板的厚度，s1＝0.035mm。

7、进一步的，所述声栅板的数量为34。

8、进一步的，多个所述空气气隙的宽度沿设定方向递增规律满足gm＝g1+(m-1)×s2，其中g1＝8.5mm，gm为第m个空气气隙间距的宽度，s2＝0.05mm。

9、进一步的，34个所述声栅板形成33个所述空气气隙，以设定方向为x轴，竖直向下方向为y轴，第一个所述声栅板远离所述设定方向的上端头为原点建立坐标系；前16个所述空气气隙沿设定方向的深度递增规律满足he＝0.0981×x1+30，其中x1为第e个空气气隙靠近所述原点的一侧对应的横坐标值，he为第e个空气气隙的深度；后17个所述空气气隙沿设定方向的深度递增规律满足其中x2为第f个所述空气气隙靠近所述原点的一侧对应的横坐标值，hf为第f个所述空气气隙的深度。

10、进一步的，多个所述薄板的宽度d＝150mm，厚度r＝3mm，沿设定方向的长度递增规律满足bi＝b1+(i-1)×s3，其中b1＝5.5mm，bi为第i个空气气隙中薄板的长度，s3＝0.05mm，相邻两块所述薄板之间的距离c＝7.5mm。

11、进一步的，上下相邻的所述薄板分别与不同的所述声栅板固定连接，所述薄板垂直于所述声栅板。

12、进一步的，所述声栅板、薄板和构件采用光敏树脂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。

13、本发明公开了以下技术效果：

14、本申请采用声栅板、薄板和构件组成声学超材料结构，声栅板作为梯度结构，薄板作为空间盘绕结构，声栅板的厚度以及薄板的长度均沿设定方向递增，声栅板之间形成空气气隙，空气气隙沿设定方向的宽度递增，深度呈非线性递增，并通过交叉设置的薄板形成蜿蜒的空气通道；当声波传入超材料结构时，从空气气隙上端入口到底部的总传播距离和传播时间增加，使其具有很高的相对折射率，声波在超材料中可以以较大的波矢量进行传播，使得波能在空间上集中和放大，同时使得工作频率降低，实现声源定位并呈现出更好的声学传感增强效果。本申请与传统结构构件相比呈现规律性变化，因此本发明结构相对传统结构更加紧凑，整体结构尺寸更小，空气气隙深度呈现非线性变化，可以很良好的避免超材料波导与背景介质之间的波矢量和模场不匹配的现象。

技术特征：

1.一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，包括：声栅板(1)，所述声栅板(1)有多个并竖直设置，多个所述声栅板(1)沿设定方向间隔排列，相邻的所述声栅板(1)之间形成空气气隙(2)，多个所述空气气隙(2)的宽度沿设定方向递增，多个所述空气气隙(2)的深度沿设定方向呈非线性递增；

2.根据权利要求1所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，多个所述声栅板(1)的宽度相同，厚度沿设定方向递增。

3.根据权利要求2所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，多个所述声栅板(1)的宽度w＝150mm，沿设定方向厚度递增规律满足tn＝t1+(n-1)×s1，其中t1＝3.95mm，tn为第n个所述声栅板(1)的厚度，s1＝0.035mm。

4.根据权利要求3所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，所述声栅板(1)的数量为34。

5.根据权利要求4所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，多个所述空气气隙(2)的宽度沿设定方向递增规律满足gm＝g1+(m-1)×s2，其中g1＝8.5mm，gm为第m个空气气隙(2)间距的宽度，s2＝0.05mm。

6.根据权利要求4所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，34个所述声栅板(1)形成33个所述空气气隙(2)，以设定方向为x轴，竖直向下方向为y轴，第一个所述声栅板(1)远离所述设定方向的上端头为原点建立坐标系；前16个所述空气气隙(2)沿设定方向的深度递增规律满足he＝0.0981×x1+30，其中x1为第e个空气气隙(2)靠近所述原点的一侧对应的横坐标值，he为第e个空气气隙(2)的深度；后17个所述空气气隙(2)沿设定方向的深度递增规律满足其中x2为第f个所述空气气隙(2)靠近所述原点的一侧对应的横坐标值，hf为第f个所述空气气隙(2)的深度。

7.根据权利要求6所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，多个所述薄板(3)的宽度d＝150mm，厚度r＝3mm，沿设定方向的长度递增规律满足bi＝b1+(i-1)×s3，其中b1＝5.5mm，bi为第i个空气气隙(2)中薄板(3)的长度，s3＝0.05mm，相邻两块所述薄板(3)之间的距离c＝7.5mm。

8.根据权利要求7所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，上下相邻的所述薄板(3)分别与不同的所述声栅板(1)固定连接，所述薄板(3)垂直于所述声栅板(1)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，其特征在于，所述声栅板(1)、薄板(3)和构件采用光敏树脂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。

技术总结本发明公开一种增强声传感和声源定位的非线性紧凑型超材料结构，涉及声传感增强技术领域，包括：声栅板，多个声栅板沿设定方向排列，相邻的声栅板之间形成空气气隙，多个空气气隙的宽度沿设定方向递增，多个空气气隙的深度沿设定方向呈非线性递增，声栅板的下端与构件的弧形面固定连接，多个薄板的长度沿设定方向递增。声栅板作为梯度结构，薄板作为空间盘绕结构，当声波传入超材料结构时，从空气气隙上端入口到底部的总传播距离和传播时间增加，声波在超材料中可以以较大的波矢量进行传播，使得波能在空间上集中和放大，工作频率降低，实现声源定位并呈现出更好的声学传感增强效果，避免超材料波导与背景介质之间的波矢量和模场不匹配的现象。技术研发人员：耿林,唐剑,肖汇洋,斯嘉禾受保护的技术使用者：安徽大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6