基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器

1.本发明属于声学信息技术和传感领域的声信号放大器件，特别是涉及一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器。


背景技术：

2.声学放大器是声信号检测设备的关键元器件，在声学信息技术和传感领域具有广泛的应用。例如，语音识别系统、人机语音交互设备、声学检测、海洋声学导航和通信、结构健康监测以及医学超声成像等多个领域都需要性能优良的声学放大器。虽然在过去二十年中，新型声学放大器的开发取得了显著的进步，然而其性能和功能仍有所欠缺，这限制了很多声学信息技术和装备的发展，例如导致声纳探测距离受限，声通信覆盖面积不理想，以及语音设备性能不佳等问题。因此，仍然需要进一步研发新型声学放大器来改善声学设备的性能。
3.在另一方面，声学超构材料是物理声学中一个新兴的研究领域。这种人造的复合材料由亚波长结构构成，可以在空气，流体和固体中对声波进行操控。最近研究表明，在梯度声学超构材料波导中可以实现声波的压缩和声场放大效应，该现象可以被用于提高微弱声信号的检测能力，并且对于开发高性能声学传感器具有有益的价值。值得一提的是，现有技术中的超构材料波导放大器是由离散周期结构组成，为了满足声波在超构材料中的绝热压缩和放大条件，通常需采用较大的长度和宽度尺寸，由此可以克服超构材料结构不连续性所带来的声波传播损耗。然而，这些超构材料波导中的绝热声传播将导致器件尺寸较长、体积较大、价格昂贵且不适用于实际应用。
4.基于以上技术挑战，开发一种具有显著声波压缩和场增强能力的紧凑型声学超构材料波导放大器有望克服以上的一系列困难，可显著降器件加工难度与成本，并获得小型化声学放大器件，有望在声呐技术、工业声学检测以及医疗超声等多个领域得到广泛的应用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，以解决上述背景技术中提到的技术问题。通过本发明的开展，超构材料声学放大器结构的整体尺寸和体积能够非常有效的实现缩减由此实现器件小型化，因此可显著降低加工难度和成本，并且能够显著增强声场放大性能，具有良好的工程应用前景。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，包括一组周期为p、板厚为t、空气间隙为g的梯度渐变硬质阵列，由若干板厚为t、空气间隙为g的梯度渐变硬质阵列板组成，其为塑料材质，板尺寸w是沿着声波传播方向z渐变的函数，满足关系：w＝dz/2l，其中l和d为放大器总长度和宽度；该固体板阵列构成一种人工材料，其等效密度为：ρz＝fρ
plate
+(1-f)ρ
air
,ρ
x
＝ρ
air
ρ
plate
/[(1-f)ρ
plate
+f
ρair
]，等效模量为b＝b
airbplate
/[(1-f)b
plate
+fb
air
]，f＝(p-g)/p为固体板在一个周期内的占空
比；该声学材料的折射率满足以下设置：其中f为声波频率；该超构材料声信号放大器结构参数设计满足以下声波非绝热快速压缩条件：其中δ为绝热系数，λ是声波的波长；放大器总长度l与底部宽度d的比值为k＝l/d,k《4。
[0007]
更进一步的，放大器工作频率范围为2khz-10khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为3.56，放大器的阵列板厚度为4mm，高度为80mm，最后一片阵列板宽度为80mm，空气间隙厚度为6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为10mm。
[0008]
更进一步的，放大器工作频率范围为3khz-15khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为1.74，阵列板厚度为3mm，高度为60mm，最后一片阵列板宽度为70mm，空气间隙厚度为5mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为8mm。
[0009]
更进一步的，放大器工作频率范围为超声波段20khz-40khz，放大器总长度与底部宽度的比值为3，阵列板厚度为0.4mm，最后一片阵列板宽度为10mm，空气间隙厚度为0.6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为1mm。
[0010]
更进一步的，工作频率范围为超声波段40khz-60khz，放大器总长度与底部宽度的比值为1.5，阵列板厚度为0.2mm，最后一片阵列板宽度为6mm，空气间隙厚度为0.6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为1mm。
[0011]
更进一步的，包括一组周期为p、板厚为t、空气间隙为g的固体圆盘阵列，圆盘直径w沿着声波传播方向z逐渐变大，满足函数关系：w＝dz/2l，其中l和d为放大器的总长度l和宽度；该固体圆盘阵列构成一种声学人工材料，其等效密度为ρz＝fρ
plate
+(1-f)ρ
air
,ρr＝ρ
air
ρ
plate
/[(1-f)ρ
plate
+fρ
air
]，和等效模量为b＝b
airbplate
/[(1-f)b
plate
+fb
air
]，其中f＝(p-g)/p为圆盘在一个周期内的占比；该声学材料的折射率满足以下设置：其中f为声波频率，j1为1阶贝塞尔函数。放大器结构参数设计满足以下声波非绝热压缩条件：其中δ为绝热系数，λ是声波的波长；放大器总长度l与底部圆盘直径d的比值为k，k＜3。
[0012]
更进一步的，放大器工作频率为1khz-10khz，放大器的总长度与底部直径的比值为2，阵列板厚度为2mm，最后一片圆盘直径为100mm，空气间隙厚度为5mm，圆盘阵列的周期为15mm。
[0013]
更进一步的，放大器工作频率为10khz-20khz，放大器的总长度与底部直径的比值为1.2，阵列板厚度为2mm，最后一片圆盘直径为50mm，空气间隙厚度为5mm，圆盘阵列的周期为8mm。
[0014]
更进一步的，放大器工作频率为超声频段20khz-40khz，放大器的总长度与底部直径的比值为0.8，阵列板厚度为0.5mm，最后一片圆盘直径为12mm，空气间隙厚度为0.5mm，圆盘阵列的周期为2mm。
[0015]
更进一步的，所述梯度渐变硬质阵列和固体圆盘阵列板由硬质塑料3d打印加工制
成或由不锈钢等金属加工制成。
[0016]
与现有技术相比，本发明所述的一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器的有益效果是：
[0017]
(1)梯度渐变声学超构材料波导具有高折射率，导致在其中传输的声波在空间中产生能量集中，呈现波压缩状态，因此得到声场的放大与声压增益。绝热压缩范围内的梯度渐变声学超构材料总长度与底部宽度的比值通常很大，导致器件体积过大、难于加工、无法实际应用。而本发明所述的紧凑型声信号放大器通过平衡波导结构不连续性和热粘滞损耗效应之间的关系，对梯度渐变声学波导进行结构优化，通过调整梯度渐变声学超构材料总长度与底部宽度的比值大小，突破绝热压缩范围，利用非绝热快速压缩效应实现更强的声场放大能力以及声压增益。同一工作频率下，固定最后一片硬质塑料板宽度，减小总长度与底部宽度的比值则器件尺寸会大幅缩减，极大地降低加工难度、节约加工成本及便于实际应用。
[0018]
(2)本发明通过调节最后一片硬质塑料板宽度，可以调整工作频段，实现不同频率下的声场压缩与放大；通过调节结构尺寸，可以获得不同增益的声场放大倍数，可以根据实际实验设备进行调整，可以根据具体需求进行灵活设计。
[0019]
(3)根据本发明的上述特点，其可以应用于汽车超声雷达、机器人声纳系统、结构健康监测以及医疗仪器和成像等领域。类似的优化原理可以应用于弹性波超构材料，改善现有的超构材料器件尺寸大、重量沉、难于实际应用的现状。
附图说明
[0020]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0021]
图1为超构材料波导中的绝热和非绝热压缩效应示意图，其中(a)表示由渐变实心板阵列组成的声学超材料波导示意图，平板厚度为t，阵列周期为p，空气间隔为g，超材料波导总长度为l，底部宽度为d，波导总高度为h，(b)表示具有大k值的长超材料波导中的绝热波压缩示意图(上图)，以及具有小k值的短超材料波导(下图)中的非绝热波压缩，(c)表示超材料波导的等效折射率n
eff
随长度和k值的空间分布，超材料波导(mm1-mm3)的几何参数在表1中列出，(d)表示不同超材料波导的绝热参数δ，(e)表示沿超材料波导的归一化压力场分布，超材料波导的工作频率为3.1khz；图中1为梯度渐变硬质阵列板，2为空气间隙。
[0022]
图2为离散板组成的超构材料波导的结构不连续性示意图；
[0023]
图3为超构材料波导中的热粘滞损耗机理示意图；
[0024]
图4为超构材料波导的有限元仿真模型，其中(a)表示分析复杂在超材料波导中声波-超材料相互作用的多物理场有限元仿真模型(fem comsol 5.4)；(b)表示有限元仿真中的网格；(c)表示板边界附近的精细网格，以解决超材料波导中声波的热粘性损失；
[0025]
图5为不考虑热粘滞损耗效应时，超构材料波导的有限元仿真结果，其中(a)表示不同超材料波导中的压力场分布；(b)表示最大压力增益随超材料波导k值的变化；(c)表示最大压力增益随超材料波导总长度的改变。在仿真中，工作频率设置为3.1khz，超材料波导(mm1-mm4)的几何参数如表1所示。
[0026]
图6为同时考虑结构不连续性和热粘滞损耗效应时，超构材料波导的有限元仿真
结果，其中(a)表示有/无热粘滞损耗时超材料波导内部压力场分布的对比；(b)表示考虑热粘滞损耗时，不同超材料波导的压力场分布；(c)表示有无热粘性效应的超材料波导的最大压力增益与k值的比较；(d)表示考虑热粘滞损耗时，相对于超材料波导总长度的最大压力增益。在仿真中，工作频率设置为3.1khz，超材料波导(mm1-mm4)的几何参数如表1所示。
[0027]
图7(a)-(d)为四组不同尺寸结构的梯度渐变超构材料波导放大器的实验示意图；
[0028]
图8为四组不同尺寸结构的梯度渐变超构材料波导放大器实验结果。(a)四个超材料波导(mm1-mm4)中的实测声压场分布；(b)超材料波导中沿波传播轴的压力场放大；(c)超材料波导最大压力增益随k值变化的实验结果；(d)超材料波导最大压力增益随总长度变化的实验结果。在实验中，工作频率设置为3.1khz。
[0029]
图9为工作在超声频段的四组不同尺寸结构的梯度渐变超构材料波导数值仿真结果，其中(a)表示在超声区域中起作用的超材料波导中具有类似的波压缩和放大效应，相对于超材料波导的k值(b)和总长度(c)的最大压力增益表明优化的波导设计能够实现显著的场放大和紧凑的器件尺寸。
[0030]
图10(a)为本发明所提出的一种基于圆盘阵列结构的紧凑型超构材料波导声信号放大器示意图；图10(b)具有大k值的长超材料波导中的绝热波压缩示意图(上图)，以及具有小k值的短超材料波导(下图)中的非绝热波压缩。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0032]
一、具体实施方式一，请参见图1-9说明本发明具体实施方式一，包括一组周期为p、板厚为t、空气间隙为g的梯度渐变硬质阵列，由若干板厚为t、空气间隙为g的梯度渐变硬质阵列板组成，板尺寸w是沿着声波传播方向z渐变的函数，满足关系：w＝dz/2l，其中l和d为放大器总长度和宽度；该固体板阵列构成一种声学人工材料，其等效密度为ρz＝fρ
plate
+(1-f)ρ
air
,ρ
x
＝ρ
air
ρ
plate
/[(1-f)ρ
plate
+fρ
air
]，等效模量为b＝b
airbplate
/[(1-f)b
plate
+fb
air]
，f＝(p-g)/p为固体板在一个周期内的占空比；该声学材料的折射率满足以下设置：其中f为声波频率；该超构材料声信号放大器结构参数设计满足以下声波非绝热压缩条件：其中δ为绝热系数，λ是声波的波长；放大器总长度l与底部宽度d的比值为k＝l/d，k《4。
[0033]
放大器工作频率范围为2khz-10khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为3.56，放大器的阵列板厚度为4mm，高度为80mm，最后一片阵列板宽度为80mm，空气间隙厚度为6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为10mm。
[0034]
放大器工作频率范围为3khz-15khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为1.74，阵列板厚度为3mm，高度为60mm，最后一片阵列板宽度为70mm，空气间隙厚度为5mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为8mm。
g)/p为固体板在一个周期内的占比。该固体板阵列组成了一种梯度渐变型的各向异性超构材料，其等效折射率n
eff
可表示为：
[0045][0046]
其中f为声波工作频率。此外，沿着超构材料波导的声压场分布可以表示为：
[0047][0048]
需要注意的是，在公式(2)中，声压场分布p归一化为自由空间入射波的压力振幅。可以清晰地得知，超构材料波导的声压场是一个关于等效折射率n
eff
的函数，可以通过波导总长度与底部宽度比值k进行调控。在公式(1)和(2)的基础上，等效折射率n
eff
和沿着超构材料波导的压力场分布p可以从图1(c)-(e)得到。
[0049]
如图1(c)所示，大k值的超构材料波导拥有一个较长的维度(如mm1)，则沿着传播轴z具有一个变化十分缓慢的等效折射率n
eff
。如图1(d)所示(参见mm1曲线)，器件总长度较长的超构材料波导将满足声传播的绝热压缩条件:
[0050][0051]
超构材料波导在绝热压缩和放大的条件下，声传播变化缓慢，这时可以忽略背向反射和散射等问题(见图1(e)mm1曲线)。在这里，δ代表绝热参数，λ是声波的波长。作为对比，小k值的超构材料波导具有非常短的尺寸(比如mm2和mm3)。这将导致沿传播方向等效折射率n
eff
的快速变化(见图1(c)中mm2和mm3曲线)。它们对应的δ系数不再满足绝热压缩条件δ＜＜1(见图1(d)中mm2和mm3曲线)。如图1(e)所示，尺度短的超构材料波导将满足非绝热压缩条件(见图1(e)中mm2和mm3曲线)，并且使得超构材料波导中出现声波快速压缩和放大效应，这是实现紧凑型超构材料器件的关键。
[0052]
然而，支持非绝热压缩的超构材料波导会遇到结构内部声信号放大能力的一些挑战。首先，如图2所示，实际的超构材料器件是由不连续的阵列结构组成，大k值的超构材料波导结构不连续性问题不严重，可以被认为是一种等效的连续介质，如图左侧。作为对比，如图右侧，尽管小k值的超构材料波导可以显著减小器件维度，但它的结构不连续性问题比较明显，这将导致严重的声波反射和散射损失，这有可能是导致超构材料波导声信号放大能力减弱的重要因素。另一方面，超构材料波导中的声波传播同样被热粘滞损耗影响。如图3所示，声音传播可以激发阵列结构(气隙区域)中的空气分子的振动。声音的空气分子将与板阵列的表面接触，并产生粘性阻力效应，减缓空气分子的运动，这类似于摩擦效应，可将声能耗散为热量。超构材料中的热粘滞损耗效应将导致严重的声传播损失，会直接影响超构材料波导的性能。
[0053]
超构材料波导中的声波传输包括了复杂的物理过程，比如声波-结构之间的散射和热粘滞损耗，这些复杂物理过程和影响是以上等效介质理论分析模型无法分析的。为了全面分析超构材料波导中的物理现象，采用多物理场有限元模型研究复杂的声波和超构材料的相互作用(fem comsol 5.4)。如图4所示，环境介质区域(超构材料波导周围的空气介质)采用压力声学模型模拟自由空间的声波传输。在超构材料区域，因实心板相对于空气具
有非常高的阻抗，因此固体板可以处理为刚体。此外，在超构材料结构的狭缝内使用热粘滞声学模型去考虑沿超构材料波导中的声波传输的热—粘滞损耗。
[0054]
在有限元仿真中，用平面波辐射边界条件模拟入射声波，完美匹配层设置在域边界处防止声波反射(见图4(a)左图)。用自由三角形和自由四变形网格对仿真区域进行剖分，网格尺寸小于最小工作波长的1/5。如图4(b)所示，为了提高仿真的准确度，超构材料狭缝区域的最大单元尺寸为空气间隔的1/4。此外，为解决狭缝表面附近声波的热粘性损失(见图4(c))，更精细的边界层网格应用于与实心板边界相邻的区域。fem中的几何和材料参数如表1所示。
[0055]
表1超构材料波导的几何参数
[0056][0057][0058]
首先进行有限元模拟，研究超构材料结构不连续性对波压缩和压力放大效应的影响，以验证图2中的想法。需要注意的是，在这些有限元仿真中，超构材料波导中的热粘滞损耗没有考虑，狭缝区域的热粘性声学模型用压力声学模型替换。如图5所示，对表1中提到的四种超构材料波导进行仿真，仿真结果显示超构材料波导的锥角和总长度对于声场压缩和放大效应具有显著影响。当超构材料波导的具有大k值时，在离散亚波长结构(实际的超构材料结构)中的声波的传播、压缩和放大和连续介质中非常近似(见图1(e))。从有限元模拟中可以明显看出：减小超构材料总长度与底部宽度的比值k将会显著减小声波传输和压缩的路径，因此减小超构材料的尺寸(图5(a))，然而这将导致声压放大能力的退化(图5(b))。如图5(b)所示，当总长度与底部宽度比值k从7.15减小到0.94时，超构材料总长度从56.4cm减小到7.4cm(见图5(c))。然而，这将导致超构材料结构的不连续性加重，从而增加声波沿着超构材料传播所遇到的反射和散射损耗，导致了声压增益从开始的27.4倍逐渐减少到4.6倍(见图5(b))。
[0059]
需要注意的是，在实际中，超构材料中的声波传播涉及很复杂的物理效应，包括超构材料结构的不连续性和热粘滞损耗效应。在这里，采用基于压力声学模型和热粘性声学模型(图4)的多物理场有限元仿真，该仿真模型可以有效地分析实际情况下的超构材料波导中的结构不连续性和热粘滞损耗的综合效应。如图6(a)所示，对于大k值(7.15)，声波传播和压缩效应与仅考虑超构材料结构不连续性的情况类似。然而，区别在于声波幅值明显减小由于实际超构材料波导中的热粘性损耗。从图6(b)和图6(c)分析结果中可以看出，减小超构材料总长度与底部宽度比值k(底部宽度不变，缩短超构材料总长度)对波场放大的
影响与理想情况(与图4所示情况相比)有明显不同。例如，如图6(c)所示，超构材料波导中的声压放大随着k值减小先增加后减小。这包含的物理现象可以解释如下：减小k值可以缩短超构材料中声波传输距离(见图6(b))，因此减少了由于热粘性耗散引起的波传播损耗。这将会提升超构材料波导中可得到的声压增益。然而，在另一方面，减小k值会导致超构材料结构更严重的结构不连续性，将会引起更多的声波反射和散射损失，从而使超构材料波导中的压力放大能力降低。两种物理机制的组合效应(超构材料结构的不连续性和热粘滞损耗效应)将共同影响超构材料波导的最佳k值范围(见图6(c)和6(d))，这是缩减超构材料器件尺寸的关键(图6(d))。
[0060]
如图7所示，在本发明中，为了对比梯度渐变声学超构材料中存在的绝热压缩效应以及非绝热压缩效应，选取四组总长度与底部宽度比值不同的梯度渐变声学超构材料进行研究。所述的四组梯度渐变声学超构材料编号为mm1-mm4，总长度与底部宽度的比值k分别为7.15，3.56，1.74，0.94。在消声室中进行该实验，且扬声器放置在超构材料波导前端，让平面波入射到超构材料波导当中。一个非常小的mems麦克风被固定在一个可移动平台上，充当声学探头被放置在超构材料波导的狭缝中，进而获得声波的振幅和相位信息。特别注意到，为了获得在超构材料中声波的相位信息，一个额外的mems麦克风(和放置在超构材料内部的mems麦克风同样的型号)被放置在超构材料波导的入口处，将充当一个参考麦克风去确定声场的原始相位。所使用的微型mems麦克风的尺寸(3.76mmx2.95mmx1.30mm)远小于声波的工作波长，因此超构材料波导中声学特性不会被扰乱。
[0061]
如图8(a)所示，基于上述的声场测量方法，在四个超构材料波导中(mm1-mm4)进行声波传播的测试，实验结果清晰地证明了在超构材料波导中和声波压缩和放大效应相关的物理现象。通过实验发现，尽管具有大的结构长度的慢变超构材料波导mm1会减轻结构不连续性带来的问题，但是它的声放大性能不如能够支持快波压缩效应的短尺寸超构材料波导好(比如：mm2和mm3)。在这里需要指出，尽管图8(a)中声场的测试点可以比较好的展示超构材料中的声波传播现象，但这些点可能不能准确地评估超构材料波导的压力放大性能。例如，每个超构材料波导的最大压力增益可根据图8(a)所示超构材料波场分布的峰值振幅进行评估。然而，由于相位的测量误差，波场的峰值振幅p(z,f)＝a(z,f)cos{φ(z,f)}可能不会被准确地测量到，因此超构材料波导的最大声压增益也不能被准确地获得。如图8(b)所示，为了避免上述的测量误差，忽略相位信息，直接使用超构材料的振幅场a(z,f)对超构材料波导中最大声压增益进行评估。此外，工作频率为3.1khz时，不同超构材料波导中的最大压力增益的的实验结果如图8(c)所示,和图6(b)中展示的仿真结果相符合。很明显看出，随着总长度与底部宽度的比值的减小，超构材料波导的的最大压力增益值先增大后减小，这是由于超构材料结构不连续性和热粘滞损耗的综合影响。从实验中得知，超构材料结构mm1总长度与底部宽度的比值为7.15，总长47.4cm,可以达到最大增益值7.2。作为对比，结构mm2总长度与底部宽度的比值3.56，总长度只有28.4cm(参见图8(d))，但是它的最大压力增益提高到了15.8。如图8(c)和8(d)所示，进一步减小超构材料波导的总长度与底部宽度的比值(减小整体长度)会导致声场最大增益的减小。然而，这些紧凑型超构材料波导的声压放大能力依旧是非常不错的。比如，mm4是一个长度只有mm1七分之一的紧凑型器件，但它在压力放大方面的表现与mm1压力放大效果相当。从以上的实验中证实了，在超构材料波导中存在的非绝热压缩效应对于开发实际应用下的紧凑型超构材料放大器是十分必要的。需要
注意的是，实验中从超构材料波导中获得的最大压力增益(图8(c))，和图6(d)展示的有限元仿真结果稍有区别。这是由于有限元仿真是基于二维模型的，可能对于评估三维超构材料器件中的声学响应会有一些误差。在之后更严格的结构设计中，需要使用三维模型进行仿真，在此不做额外讨论。
[0062]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器工作频率为2khz-10khz。
[0063]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器mm2的总长度与底部宽度的比值分别为3.56，阵列板厚度为4mm，高度为80mm，最后一片阵列板宽度为80mm，空气间隙厚度为6mm，所述梯度渐变硬质塑料板和空气间隙组成的周期为10mm。
[0064]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器mm3的总长度与底部宽度的比值分别为1.74，阵列板厚度为4mm，高度为80mm，最后一片阵列板宽度为80mm，空气间隙厚度为6mm，所述梯度渐变硬质塑料板和空气间隙组成的周期为10mm。
[0065]
本发明所提到的原理证明、模拟和实验结果都证明了在可听频带工作的紧凑型声学放大器可以通过采用快波压缩(非绝热压缩)效应实现。应该注意的是，这一想法可以扩展到其他频率区域，提供了实现可应用于许多实际应用的小型声学超构材料器件的通用技术。比如，一个工作在超声频段(》20khz)的超构材料声波放大器在汽车超声雷达和机器人slam系统中将会非常有用。利用有限元仿真，在超声超构材料波导中进一步验证该现象，如图9(a)所示。几何参数参见表2。如图9(b)和9(c)所示，一个长度只有1.64cm的很小的超构材料波导可以达到非常显著的波压缩效果。实现紧凑型超声超构材料放大器的本质是通过超构材料波导中的结构不连续性和热粘性耗散的组合效应实现的，该效应在超构材料波导的可听频率区域中具有类似的机制。
[0066]
表2超声频段超构材料波导的几何参数
[0067][0068]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器工作频率为20khz-40khz的超声波频段。
[0069]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器mm2的总长度与底部宽度的比值分别为3.558，阵列板厚度为0.4mm，最后一片阵列板宽度为
10mm，空气间隙厚度为0.6mm，所述梯度渐变硬质塑料板和空气间隙组成的周期为1mm。
[0070]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器mm3的总长度与底部宽度的比值分别为1.744，阵列板厚度为0.4mm，最后一片阵列板宽度为10mm，空气间隙厚度为0.6mm，所述梯度渐变硬质塑料板和空气间隙组成的周期为1mm。
[0071]
所述的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器的总长度与底部宽度的比值k《4。
[0072]
所述梯度渐变阵列板的材料为硬质塑料或不锈钢等金属。
[0073]
如图10所示，本发明所提出的一种基于声学超构材料波导中非绝热快速压缩的紧凑型声信号放大器也可设计为梯度渐变的圆盘阵列。相比于梯度渐变板阵列声学超构材料可以进一步减小器件的轴向尺寸，节约加工耗材，且具有类似于梯度渐变版阵列的声场放大效果。在总体尺寸较小的圆盘阵列种依旧可以获得类似于长尺寸圆盘阵列结构中的声场增益效果。
[0074]
所述的基于声学超构材料波导中非绝热压缩的紧凑型声信号放大器的制造方法为：
[0075]
利用3d打印技术进行打印，可获得上下带有支撑平面的声信号放大器。
[0076]
本发明提出的紧凑型声信号放大器采用硬质塑料板用于空气中测试，也可以金属加工用于水下环境中微弱信号的探测与接收。
[0077]
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：包括一组周期为p、板厚为t、空气间隙为g的梯度渐变硬质阵列，板尺寸w是沿着声波传播方向z渐变的函数，满足关系：w＝dz/2l，其中l和d为放大器总长度和宽度；该固体板阵列的等效密度为ρ
z
＝fρ
plate
+(1-f)ρ
air
,ρ
x
＝ρ
air
ρ
plate
/[(1-f)ρ
plate
+fρ
air
]，等效模量为b＝b
air
b
plate
/[(1-f)b
plate
+fb
air
]，f＝(p-g)/p为固体板在一个周期内的占空比；该声学材料的折射率满足以下设置：其中f为声波频率；该超构材料声信号放大器结构参数设计满足以下声波非绝热快速压缩条件：其中δ为绝热系数，λ是声波的波长；放大器总长度l与底部宽度d的比值为k＝l/d，k<4。2.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率范围为2khz-10khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为3.56，放大器的阵列板厚度为4mm，高度为80mm，最后一片阵列板宽度为80mm，空气间隙厚度为6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为10mm。3.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率范围为3khz-15khz，放大器的总长度与底部宽度的比值为1.74，阵列板厚度为3mm，高度为60mm，最后一片阵列板宽度为70mm，空气间隙厚度为5mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为8mm。4.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率范围为超声波段20khz-40khz，放大器总长度与底部宽度的比值为3，阵列板厚度为0.4mm，最后一片阵列板宽度为10mm，空气间隙厚度为0.6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为1mm。5.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：工作频率范围为超声波段40khz-60khz，放大器总长度与底部宽度的比值为1.5，阵列板厚度为0.2mm，最后一片阵列板宽度为6mm，空气间隙厚度为0.6mm，固体板和空气间隙组成的阵列结构其周期为1mm。6.一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于，包括一组周期为p、板厚为t、空气间隙为g的固体圆盘阵列，圆盘直径w沿着声波传播方向z逐渐变大，满足函数关系：w＝dz/2l，其中l和d为放大器的总长度l和宽度；该固体圆盘阵列的等效密度为ρ
z
＝fρ
plate
+(1-f)ρ
air
，,ρ
r
＝ρ
air
ρ
plate
/[(1-f)ρ
plate
+fρ
air
]，等效模量为b＝b
air
b
plate
/[(1-f)b
plate
+fb
air
]，其中f＝(p-g)/p为圆盘在一个周期内的占比；该声学材料的折射率满足以下设置：其中f为声波频率，j1为1阶贝塞尔函数。放大器结构参数设计满足以下声波非绝热压缩条件：其中δ为绝热系数，λ是声波的波长；放大器总长度l与底部圆盘直径d的比值为k，k＜3。7.根据权利要求6所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率为1khz-10khz，放大器的总长度与底部直径的比值为2，阵列板厚度为2mm，
最后一片圆盘直径为100mm，空气间隙厚度为5mm，圆盘阵列的周期为15mm。8.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率为10khz-20khz，放大器的总长度与底部直径的比值为1.2，阵列板厚度为2mm，最后一片圆盘直径为50mm，空气间隙厚度为5mm，圆盘阵列的周期为8mm。9.根据权利要求1所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：放大器工作频率为超声频段20khz-40khz，放大器的总长度与底部直径的比值为0.8，阵列板厚度为0.5mm，最后一片圆盘直径为12mm，空气间隙厚度为0.5mm，圆盘阵列的周期为2mm。10.根据权利要求1或6所述的基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，其特征在于：所述梯度渐变硬质阵列和固体圆盘阵列板由硬质塑料3d打印加工制成或由不锈钢等金属加工制成。

技术总结
本发明提出了一种基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器，属于声学信息技术和传感领域的声信号放大器件。该声学放大器是由一组渐变板阵列和穿插在板之间的空气间隙所组成的超构材料复合结构，其周期为p、板厚为t、空气间隙为g、板的尺寸为w为渐变参数。其特征在于放大器结构参数设计满足超构材料中的声波非绝热传输条件：该效应使声波在超构材料结构中被快速的压缩和放大，实现具有紧凑结构的声信号放大器。本发明有效缩减了梯度渐变声学超构材料器件的尺寸，降低了加工难度与成本，且声场放大能力也得到显著提升，为开发声波或机械波放大器提供了一种新的思路与技术。了一种新的思路与技术。了一种新的思路与技术。


技术研发人员：陈永耀 王鑫 李俊杰 马泽栋 张亮
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.01.29
技术公布日：2023/7/11