基于线缺陷结构声子晶体的微弱声信号检测研究

摘要

微弱声音信号检测与现代生产生活息息相关，在机械生产、环境检测、军事侦查、生物技术、疾病早期诊断、结构健康状态检测等新兴交叉领域有重要的实际应用价值。线缺陷结构声子晶体具有独特的能带结构，优良的传输特性，能有效实现微弱声音信号的增强。线缺陷结构声子晶体独特的声学性能为微弱声音信号的检测提供了新途径。　　本文以声子晶体能带理论和有限元为基础，设计了一种由嵌入在空气基质中带有缝隙的有机玻璃管组成的声子晶体，并通过改变有机玻璃管的缝隙方向，构造了一种线缺陷结构声子晶体。基于该线缺陷结构声子晶体的特殊声学性能，提出了基于线缺陷结构声子晶体的微弱声音信号检测方法，通过有限元仿真和实验，验证了基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的可行性。　　论文的主要研究内容如下：　　(1)线缺陷结构声子晶体的设计与分析　　设计了一种由嵌入在空气基质中，带有缝隙的有机玻璃管组成的声子晶体，并通过改变有机玻璃管的缝隙方向，构造了一种线缺陷结构声子晶体。计算了线缺陷结构声子晶体的能带曲线、传输特性以及对声音信号增强的最大增强倍数；讨论了其结构参数对声音信号增强性能的影响。　　(2)基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的仿真计算　　提出了基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的方法，在COMSOL软件中建立了线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的仿真模型。对基于线缺陷结构声子晶体的微弱谐波信号与周期性冲击信号检测进行了仿真计算。仿真计算结果显示，线缺陷结构声子晶体能成功检测微弱谐波信号与周期性冲击信号，证明了基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的可行性。　　(3)基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测的实验分析　　基于线缺陷结构声子晶体对微弱声音信号检测方法进行了实验验证。搭建了声学检测实验平台，加工了线缺陷结构声子晶体实验样品。通过设置不同信噪比，分别对弱谐波信号与周期性冲击信号进行了检测实验。实验结果显示，线缺陷结构声子晶体能在强噪声背景下检测弱谐波信号与周期性冲击信号，验证了基于线缺陷结构声子晶体的微弱声音信号检测方法的有效性。　　本文设计的线缺陷结构声子晶体具有良好的声学增强性能，能有效降低噪声，增强被检测的微弱声音信号，可以用于微弱声音信号检测的研究。仿真与实验结果表明，本文提出的线缺陷结构声子晶体能在强噪声背景成功的检测微弱谐波信号与周期性冲击信号。因此，本文研究工作为解决微弱声音信号检测问题提供了新思路，为新型滤波器、声能吸收器等高性能声学器件的设计提供了参考，进一步拓宽了声子晶体的应用范围。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 选题背景

1.2 微弱信号检测的研究现状

1.3 声子晶体的研究现状

1.4 缺陷结构声子晶体的研究现状

1.5 本文研究思路及主要研究内容

1.5.1 问题的提出

1.5.2 本文的研究思路

1.5.3 本文主要研究内容及章节安排

第 2 章 声子晶体理论基础

2.1 引言

2.2 弹性动力学基础

2.3 Bloch 定理

2.4 二维理想声子晶体的理论模型

2.5 声子晶体的能带理论

2.6 基于 COMSOL Multiphysics 的有限元仿真理论

2.7 本章小结

第 3 章 线缺陷结构声子晶体的设计与分析

3.1 引言

3.2 线缺陷结构声子晶体的设计方法

3.3 线缺陷结构声子晶体能带结构计算

3.4 线缺陷结构声子晶体传输特性计算

3.5 线缺陷结构声子晶体声音信号增强性能计算

3.6 结构参数对声音信号增强性能的影响

3.6.1 有机玻璃管厚度对声音信号增强性能的影响

3.6.2 有机玻璃管缝隙宽度对声音信号增强性能的影响

3.7 本章小结

第 4 章 微弱声音信号检测仿真计算

4.1 引言

4.2 基于线缺陷结构声子晶体的微弱声音信号检测方法设计

4.3 微弱谐波信号检测仿真

4.4 周期性冲击信号检测仿真

4.5 本章小结

第 5 章 微弱声音信号检测实验分析

5.1 引言

5.2 实验平台搭建

5.3 微弱谐波信号检测实验结果分析

5.4 周期性冲击信号检测实验结果分析

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢

附录 A 攻读学位期间发表和录用的论文目录