以声压增强效应为目标的自组装超材料声学传感机制研究

摘要

声学传感在极端环境下对弱声信号检测面临灵敏度与带宽难以兼顾的固有挑战．本文提出一种基于形状记忆合金驱动的自组装梯度声学超材料，通过动态调控材料参数与几何特性实现声压增强效应优化．研究采用有效介质理论与Wentzel-Kramers-Brillouin方法（WKB法）近似建立声场解析模型，揭示了材料弹性模量、密度梯度及频率特征对声波传播特性的协同调控机制．通过多物理场耦合仿真验证了1～13kHz宽频范围内声压增益规律．结果表明，通过调节几何梯度参数改变有效折射率可突破传统传感器的灵敏度-带宽权衡限制：大锥角结构（60°）在高频段（9.7～12.9kHz）实现快速声能增强，而小锥角设计（30°）有效扩展低频声波（2.1～5.3kHz）的增益作用范围．本文所设计的声学超材料具有动态重构特性，为工业设备微弱声信号检测提供了新的技术路径，为解决传统声学传感器性能矛盾提供了理论支撑与实验依据，对提升复杂工况下的故障诊断可靠性具有重要应用价值．

关键词

自组装 / 超材料 / 声学传感 / 声压增强 / 信号检测