声学人工结构材料的若干应用研究
本文关键词： 声子晶体 声超构材料 声共振腔 声学定向麦克风 含时声学人工结构材料 声学单通 声二极管 出处：《南京大学》2015年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：由于声波应用领域广,声学人工结构材料(包括声子晶体和声学超构材料)已经成为当今一个重要的研究领域。在此,针对基于声学人工结构材料的定向麦克风,含时声学超材料以及基于含时声学超材料的声学单通器件这两个子课题,本论文做了一些研究工作。基于声学人工结构材料的定向麦克风,我们从一种昆虫的听觉结构中得到启发,设计了一款基于声学超材料(回廊结构)的声信号增强器。该结构可以在较低的频段工作。我们采用近年来研究比较充分的一种回廊型超构材料来模拟其在昆虫体内的类似结构,并且将声学人工结构材料的概念运用在昆虫听觉器官的机理解释上。回廊结构(一种高折射率的超构材料)与后端的腔体组合,可以实现低频下声波的局域,即声信号的增强。腔内声波共振的中心频率和带宽可以通过回廊结构的尺寸和腔体内的损耗来调节。由于这种共振体系类似于经典的亥姆霍兹共振腔,因而这是一种亚波长的信号增强器。我们分别在理论和实验上证明该器件在165Hz附近具有对声信号的增强效果(10dB),而所采用结构的大小仅为波长的三十分之一。我们结合超构材料等效参数的概念提供了一种大致估算共振频率的方法,并通过仿真结果进行了验证。该方法表明,我们所设计结构的共振频率是可以通过针对颈部回廊结构的设计而有效调控的。将我们所设计的声学放大结构与后端的声学麦克风组装在一起就构成了一种新型定向麦克风探测单元。与裸探头阵列相比,由于前端结构的选频放大作用,使得在我们所设计的频段,定向的信噪比和准确度得到了提高。这样一款设计,不但为声学超构材料找到了一个新的应用场所,同时提供了一种利用超构材料的概念来理解昆虫听觉机理的新思路。声学非对称传输器件(非对称声波传输效应)在很多应用场合是亟需的。这样一种奇特的效应可以通过多种途径实现,包括流动介质中的声学塞曼效应,被动非线性声学系统中的频率转换以及主动式声学系统。在本文,我们证明了一种新型的时变系统中声学频率转换过程。该时变系统包括一根旋转的柱子以及其周围的空气。经过时变系统散射的声波会发生与柱子旋转频率线性相关的频率移动。这种散射效应可以通过我们的线性时变微扰理论得到很好的解释。将这样一种时变散射效应与高效的声学带阻滤波器相结合,我们成功设计出了一种音频段的声学非对称传输器件。我们在实验上测得正反两个传输方向能量的最大对比度为 20dB。在我们的系统中,时变介质的概念也可以应用于音频之外的其它频段。我们相信线性时变声学散射效应以及这种非定向传输器件的设计可以在诸如管中流速测试,声学成像以及音频信号处理等相关领域应用。此外,时变声学散射的作用机制与声学动态相位调制过程直接相关。换句话说,基于精确设计的声学时变系统,我们可以设计人工的动态相位调制和等效的规范势。
[Abstract]:This paper presents a novel directional microphone detector based on acoustic artificial structural material .
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB39
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