一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，包括回廊型超構(gòu)材料放大器和位于放大器后端的麥克風(fēng)?；乩刃统瑯?gòu)材料放大器由前端的回廊結(jié)構(gòu)和后端的共振腔構(gòu)成，回廊結(jié)構(gòu)為由多個(gè)插指結(jié)構(gòu)相對(duì)交錯(cuò)排布構(gòu)成的封閉結(jié)構(gòu)，回廊結(jié)構(gòu)上設(shè)有聲波入射口和與后端共振腔連接的連通口；回廊結(jié)構(gòu)和共振腔均為剛性材料；麥克風(fēng)伸入共振腔后端的預(yù)留孔道內(nèi)。本發(fā)明基于聲學(xué)超構(gòu)材料利用仿生學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了聲定向的效果，可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和放大器中心頻率，改變目標(biāo)的聲定向信號(hào)的頻率，是一種適應(yīng)性強(qiáng)、表現(xiàn)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、低成本的新型聲學(xué)定向麥克風(fēng)。
【專利說明】一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲學(xué)系統(tǒng)中的聲學(xué)定向麥克風(fēng)，特別涉及一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)。

【背景技術(shù)】
[0002]定向麥克風(fēng)(系統(tǒng))是一種能夠確定入射聲源方位角的器件。一個(gè)定向麥克風(fēng)系統(tǒng)由兩個(gè)甚至更多獨(dú)立的麥克風(fēng)單元構(gòu)成，它們按照特定的方式排列來取得最佳的信號(hào)差異，從而得到特定的指向性曲線。定向麥克風(fēng)在諸如助聽器，機(jī)器人導(dǎo)航和水下探測器網(wǎng)絡(luò)等方面有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]當(dāng)前的定向麥克風(fēng)主要采用電路對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大。聲學(xué)放大器可以追溯到19世紀(jì)早期，遠(yuǎn)在電路被發(fā)明之前。在這段電路出現(xiàn)前的歲月中，對(duì)聲信號(hào)的放大可以采用振膜，空氣閥門和壓縮空氣組成的振動(dòng)放大系統(tǒng)。這種早期聲學(xué)放大系統(tǒng)在電路出現(xiàn)后不久就消失了。然而，不借助于電路的幫助實(shí)現(xiàn)聲學(xué)信號(hào)的放大在遠(yuǎn)距離聲學(xué)傳感，節(jié)約能源，聲學(xué)濾波以及沒有能源供給的極端條件下等方面仍具有廣泛的應(yīng)用。但是采用這種方案時(shí)，當(dāng)波長增大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一些限制(低頻應(yīng)用)，因?yàn)闉榱司钟蚝涂刂坡暡?，所采用的結(jié)構(gòu)的尺寸必須很大。為了解決這一問題，可以從研宄自然界中一種昆蟲的聽覺機(jī)理得到啟發(fā)。
[0004]在自然界中動(dòng)物定向的聽覺通常依賴于諸如信號(hào)間的時(shí)間差異和信號(hào)間的強(qiáng)度差異等聲信號(hào)本身的線索。比如有些昆蟲依賴于自身獨(dú)特的聽覺器官具有針對(duì)特定的頻率定向能力，從而保證了自身種群的繁衍生息。有一種灌木蟋蟀依賴于自身獨(dú)特的身體孔道構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)4.7kHz的聲音定向，從保證了雌性的蟋蟀可以找到雄性的蟋蟀。諸如蟋蟀此類利用身體的孔道結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)信號(hào)的放大而不借助于電路的幫助，可以通過一種新的人工結(jié)構(gòu)聲學(xué)材料-超構(gòu)材料來類比，從而將超構(gòu)材料對(duì)聲學(xué)信號(hào)的放大應(yīng)用到聲學(xué)定向麥克風(fēng)中。
[0005]“超構(gòu)材料〃是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上(例如波長尺度)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有材料所不具備的超常材料性能。其作為一種材料設(shè)計(jì)理念，已開始為越來越多的學(xué)者所關(guān)注。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)的具體設(shè)計(jì)，目的在于得到同時(shí)具有定向性能優(yōu)異、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、低成本的新型聲學(xué)定向麥克風(fēng)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，包括回廊型超構(gòu)材料放大器和位于放大器后端的麥克風(fēng)；所述回廊型超構(gòu)材料放大器由前端的回廊結(jié)構(gòu)和后端的共振腔構(gòu)成，回廊結(jié)構(gòu)為由多個(gè)插指結(jié)構(gòu)相對(duì)交錯(cuò)排布構(gòu)成的封閉結(jié)構(gòu)，回廊結(jié)構(gòu)上設(shè)有聲波入射口和與后端共振腔連接的連通口 ；所述回廊結(jié)構(gòu)和共振腔均為剛性材料；所述麥克風(fēng)伸入共振腔后端的預(yù)留孔道內(nèi)。
[0009]進(jìn)一步地，所述回廊結(jié)構(gòu)的材料為工程塑料，結(jié)構(gòu)參數(shù)為:回廊結(jié)構(gòu)中單個(gè)插指結(jié)構(gòu)長w = 10mm，插指結(jié)構(gòu)末端到另一側(cè)壁間垂直距離s = 10mm，單個(gè)插指結(jié)構(gòu)寬度及插指排布周期t = 2mm，回廊結(jié)構(gòu)總長度為I = 22mm，回廊結(jié)構(gòu)中單個(gè)插指結(jié)構(gòu)高度h = 20mm,回廊結(jié)構(gòu)的封閉面厚度為2mm。
[0010]進(jìn)一步地，所述共振腔的材料為黃銅，結(jié)構(gòu)參數(shù)為:長度D = 70mm，厚度T = 3mm，寬度L = 68mm，預(yù)留孔道的直徑d = 7.5mm。
[0011]本發(fā)明的仿生學(xué)聲學(xué)定向麥克風(fēng)，通過調(diào)整和優(yōu)化超構(gòu)材料等效參數(shù)和共振腔的參數(shù)(如回廊的周期數(shù)，回廊間距及長度，腔內(nèi)壁形狀、尺寸、吸收介質(zhì)參數(shù)等)，使得該定向麥克風(fēng)在130?237Hz的波段范圍內(nèi)工作時(shí)，能量放大倍數(shù)最高達(dá)到9倍。而結(jié)構(gòu)的尺寸僅僅為波長的1/28。因此，該定向麥克風(fēng)相比普通的利用電路放大信號(hào)的定向麥克風(fēng)更加節(jié)約能源，而且探測信號(hào)的針對(duì)性更強(qiáng)，并由于能量的放大，使得該定向麥克風(fēng)的探測靈敏度和探測距離得以明顯的提高。不僅如此，前置放大器本身也可以作為探頭的防塵罩，保護(hù)罩，以降低外部惡劣環(huán)境對(duì)探測系統(tǒng)的影響。此外，本發(fā)明可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和共振器中心頻率改變工作頻率，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，低成本。
[0012]本發(fā)明不僅基于聲學(xué)超構(gòu)材料利用仿生學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了聲定向的效果，而且可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和共振腔中心頻率調(diào)整定向麥克風(fēng)的工作頻率，具有定向性能優(yōu)異、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、低成本等特點(diǎn)。本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景，在諸如助聽器，機(jī)器人導(dǎo)航和水下探測器網(wǎng)絡(luò)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明仿生學(xué)定向麥克風(fēng)的前端回廊結(jié)構(gòu)三維立體圖；
[0015]圖3為本發(fā)明前端超構(gòu)材料的等效參數(shù)；
[0016]圖4為本發(fā)明的共振腔共振曲線；
[0017]圖5為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)測量定向效果圖(與裸探頭對(duì)比)。

【具體實(shí)施方式】
[0018]對(duì)本發(fā)明基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)中，超構(gòu)材料和共振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和有效參數(shù)的分析，采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬來完成，定向麥克風(fēng)性能的測試分析，采用美國Roland聲卡和中國SKC公司生產(chǎn)的四分之一英寸預(yù)極化聲學(xué)探頭來記錄信號(hào)，MATLAB軟件進(jìn)行后期信號(hào)的處理。
[0019]圖1所示為本發(fā)明的基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖。其由回廊型超構(gòu)材料放大器與位于聲放大器后端的麥克風(fēng)構(gòu)成；超構(gòu)材料放大器由前端的回廊結(jié)構(gòu)I和后端的共振腔2構(gòu)成，回廊結(jié)構(gòu)I中的回廊由多個(gè)插指結(jié)構(gòu)相對(duì)交錯(cuò)排布構(gòu)成，回廊結(jié)構(gòu)I為四面封閉構(gòu)造，僅前端的聲波入射口以及與共振腔連接的后端連通口開放。聲信號(hào)經(jīng)過回廊結(jié)構(gòu)I后，進(jìn)入后端的共振腔2。其中回廊結(jié)構(gòu)I和共振腔2均為工程塑料(ABS)，所述麥克風(fēng)由共振腔后端預(yù)留孔道伸入，用于接收信號(hào)。在麥克風(fēng)與孔道間縫隙內(nèi)填充有密封材料以保證共振腔的氣密性。
[0020]圖1和圖2中所不的具體參數(shù)值為w = s = 10mm, t = 2mm, I = 22mm, h = 20mm,D = 70mm, T = 3mm, L = 68mm, d = 7.5mm。以上超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和共振腔的參數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整和優(yōu)化。
[0021]圖3所示為回廊型超構(gòu)材料聲學(xué)等效參數(shù)。圖中所有等效參數(shù)均為與相應(yīng)空氣參數(shù)比值。
[0022]圖4所示為實(shí)驗(yàn)測得共振腔共振曲線。圖中可以看出，赫姆霍茲共振腔的中心頻率為186Hz，帶寬為51Hz，品質(zhì)因子為3.86。在工作區(qū)間內(nèi)，能量的放大倍數(shù)最大為9倍。
[0023]圖5所示為實(shí)驗(yàn)測量定向效果圖(與裸探頭對(duì)比)。入射頻率為186Hz，探頭間距為0.5m。從圖上可以看出，在大角度入射條件下，相比裸探頭仿生學(xué)定向麥克風(fēng)的性能有明顯提尚。
[0024]本發(fā)明在工作波段，入射的聲波經(jīng)過聲學(xué)超構(gòu)材料放大器實(shí)現(xiàn)探測聲強(qiáng)的放大，并被后端的麥克風(fēng)接收，從而提高探測靈敏度和探測的距離。后端麥克風(fēng)接收到的信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃惴ǚ囱莩鋈肷渎暡ㄏ辔唤恰１景l(fā)明不僅利用超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了入射聲波的定向，而且可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和放大器中心頻率，改變目標(biāo)的聲定向信號(hào)的頻率。這是一種適應(yīng)性強(qiáng)、表現(xiàn)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、低成本的新型聲學(xué)定向麥克風(fēng)。
[0025]上述實(shí)施例僅示例性說明本發(fā)明的原理及功效，而非限制本發(fā)明，任何不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實(shí)質(zhì)性替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，其特征在于，包括回廊型超構(gòu)材料放大器和位于放大器后端的麥克風(fēng)；所述回廊型超構(gòu)材料放大器由前端的回廊結(jié)構(gòu)和后端的共振腔構(gòu)成，回廊結(jié)構(gòu)為由多個(gè)插指結(jié)構(gòu)相對(duì)交錯(cuò)排布構(gòu)成的封閉結(jié)構(gòu)，回廊結(jié)構(gòu)上設(shè)有聲波入射口和與后端共振腔連接的連通口 ；所述回廊結(jié)構(gòu)和共振腔均為剛性材料；所述麥克風(fēng)伸入共振腔后端的預(yù)留孔道內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，其特征在于，所述麥克風(fēng)與預(yù)留孔道之間填充有密封材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，其特征在于，所述回廊結(jié)構(gòu)的材料為工程塑料，結(jié)構(gòu)參數(shù)為:回廊結(jié)構(gòu)中單個(gè)插指結(jié)構(gòu)長w =10mm，插指結(jié)構(gòu)末端到另一側(cè)壁間垂直距離s = 10mm，單個(gè)插指結(jié)構(gòu)寬度及插指排布周期t=2mm，回廊結(jié)構(gòu)總長度為I = 22mm，回廊結(jié)構(gòu)中單個(gè)插指結(jié)構(gòu)高度h = 20mm,回廊結(jié)構(gòu)的封閉面厚度為2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于回廊型超構(gòu)材料的仿生學(xué)定向麥克風(fēng)，其特征在于，所述共振腔的材料為黃銅，結(jié)構(gòu)參數(shù)為:長度D = 70mm，厚度T = 3mm，寬度L = 68mm，預(yù)留孔道的直徑d = 7.5mm。
【文檔編號(hào)】H04R1/08GK104469581SQ201410748140
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】盧明輝, 王慶, 葛浩, 張欣, 倪旭, 劉曉平, 陳延峰 申請人:南京大學(xué)