基于螺旋超材料的定向声传感装置的设计

摘要

传统定向声传感装置往往依赖于内部电路设计或多传感器复杂算法的方式压制特定方向的环境噪声以提高信号信噪比，其具有较大的体积，并且很难改变指向特性，影响了在实际场景中的使用效果与普适性．基于螺旋超材料设计了一种可重配置的声学传感装置，通过超单元的精巧设计与超结构的应用赋予了单麦克风声学系统良好的定向传感和频率筛选特性．该装置采用单叶片螺旋超单元实现独特频率和方向响应特性．根据声路与等效介质转换理论，螺旋超材料具有周期性峰谷变化的频响特性．通过对螺距的调整，在基频和倍频频段内设计出具有特定频率特性的超单元，可控波长可达到自身长度的15倍．通过有限元仿真以及四传感器透射系数测量系统对超单元的频率透射特性进行了研究和测试，实验结果证明了其峰值频率响应与理论模型相一致．进一步，依据尺寸模型和多模型敏感角度分析，提出了一套超结构的设计方案与实现方法，并且具体制造了一种八角柱形超结构．分析了其中心测点处的声压变化与内外声压场，结果表明：在结构插槽内放入不同峰值频率的超单元，将改变整个超结构的敏感频率；重新排布超单元的排布顺序，将实现超结构指向性的重构．采用自动旋转实验平台对超结构的指向性进行验证，实验结果证明了超结构的定向传感性与仿真结果相一致，并能够通过单元分布的简单重配置实现不同的定向声传感装置．本文提出的设计方法为构建高信噪比的可调定向声采集设备提供了新的可借鉴思路．

关键词

声学指向性 / 声学传感 / 超材料 / 超结构

基金资助

国家自然科学基金资助项目(62073233); 天津市自然科学基金资助项目(21JCQNJC00690); 国家管网集团北方管道公司科技项目(20210204)