一种基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风

摘要

本发明提供了一种基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风，包括回廊型超构材料放大器和位于放大器后端的麦克风。回廊型超构材料放大器由前端的回廊结构和后端的共振腔构成，回廊结构为由多个插指结构相对交错排布构成的封闭结构，回廊结构上设有声波入射口和与后端共振腔连接的连通口；回廊结构和共振腔均为刚性材料；麦克风伸入共振腔后端的预留孔道内。本发明基于声学超构材料利用仿生学原理实现了声定向的效果，可以通过改变结构参数和放大器中心频率，改变目标的声定向信号的频率，是一种适应性强、表现优良、结构简单、易实现、低成本的新型声学定向麦克风。

说明书

技术领域

本发明属于声学系统中的声学定向麦克风，特别涉及一种基于回廊型超构材料的仿生学定 向麦克风。

背景技术

定向麦克风(系统)是一种能够确定入射声源方位角的器件。一个定向麦克风系统由两个 甚至更多独立的麦克风单元构成，它们按照特定的方式排列来取得最佳的信号差异，从而得到 特定的指向性曲线。定向麦克风在诸如助听器，机器人导航和水下探测器网络等方面有着广泛 的应用。

当前的定向麦克风主要采用电路对采集到的信号进行放大。声学放大器可以追溯到19世 纪早期，远在电路被发明之前。在这段电路出现前的岁月中，对声信号的放大可以采用振膜， 空气阀门和压缩空气组成的振动放大系统。这种早期声学放大系统在电路出现后不久就消失 了。然而，不借助于电路的帮助实现声学信号的放大在远距离声学传感，节约能源，声学滤波 以及没有能源供给的极端条件下等方面仍具有广泛的应用。但是采用这种方案时，当波长增大 时就会出现一些限制(低频应用)，因为为了局域和控制声波，所采用的结构的尺寸必须很大。 为了解决这一问题，可以从研究自然界中一种昆虫的听觉机理得到启发。

在自然界中动物定向的听觉通常依赖于诸如信号间的时间差异和信号间的强度差异等声 信号本身的线索。比如有些昆虫依赖于自身独特的听觉器官具有针对特定的频率定向能力，从 而保证了自身种群的繁衍生息。有一种灌木蟋蟀依赖于自身独特的身体孔道构造能够实现针对 4.7kHz的声音定向，从保证了雌性的蟋蟀可以找到雄性的蟋蟀。诸如蟋蟀此类利用身体的孔 道结构对声学信号的放大而不借助于电路的帮助，可以通过一种新的人工结构声学材料-超构 材料来类比，从而将超构材料对声学信号的放大应用到声学定向麦克风中。

“超构材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。通过在 材料的关键物理尺度上(例如波长尺度)的结构设计，可以突破某些表观规律的限制，从而获 得超出自然界固有材料所不具备的超常材料性能。其作为一种材料设计理念，已开始为越来越 多的学者所关注。

发明内容

本发明提出了一种基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风的具体设计，目的在于得到同 时具有定向性能优异、适应性强、稳定性高、结构简单、易实现、低成本的新型声学定向麦克 风。

本发明采用的技术方案为：

一种基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风，包括回廊型超构材料放大器和位于放大器 后端的麦克风；所述回廊型超构材料放大器由前端的回廊结构和后端的共振腔构成，回廊结构 为由多个插指结构相对交错排布构成的封闭结构，回廊结构上设有声波入射口和与后端共振腔 连接的连通口；所述回廊结构和共振腔均为刚性材料；所述麦克风伸入共振腔后端的预留孔道 内。

进一步地，所述回廊结构的材料为工程塑料，结构参数为：回廊结构中单个插指结构长 w＝10mm，插指结构末端到另一侧壁间垂直距离s＝10mm，单个插指结构宽度及插指排布周期 t＝2mm，回廊结构总长度为l＝22mm，回廊结构中单个插指结构高度h＝20mm，回廊结构的封 闭面厚度为2mm。

进一步地，所述共振腔的材料为黄铜，结构参数为：长度D＝70mm，厚度T＝3mm，宽度 L＝68mm，预留孔道的直径d＝7.5mm。

本发明的仿生学声学定向麦克风，通过调整和优化超构材料等效参数和共振腔的参数(如 回廊的周期数，回廊间距及长度，腔内壁形状、尺寸、吸收介质参数等)，使得该定向麦克风 在130～237Hz的波段范围内工作时，能量放大倍数最高达到9倍。而结构的尺寸仅仅为波长 的1/28。因此，该定向麦克风相比普通的利用电路放大信号的定向麦克风更加节约能源，而且 探测信号的针对性更强，并由于能量的放大，使得该定向麦克风的探测灵敏度和探测距离得以 明显的提高。不仅如此，前置放大器本身也可以作为探头的防尘罩，保护罩，以降低外部恶劣 环境对探测系统的影响。此外，本发明可以通过改变结构参数和共振器中心频率改变工作频率， 适应性强，结构简单，体积小，低成本。

本发明不仅基于声学超构材料利用仿生学原理实现了声定向的效果，而且可以通过改变结 构参数和共振腔中心频率调整定向麦克风的工作频率，具有定向性能优异、适应性强、稳定性 高、结构简单、易实现、低成本等特点。本发明具有广泛的应用前景，在诸如助听器，机器人 导航和水下探测器网络等方面有着广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风的结构参数示意图；

图2为本发明仿生学定向麦克风的前端回廊结构三维立体图；

图3为本发明前端超构材料的等效参数；

图4为本发明的共振腔共振曲线；

图5为本发明的实验测量定向效果图(与裸探头对比)。

具体实施方式

对本发明基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风中，超构材料和共振腔结构的设计和有 效参数的分析，采用COMSOL Multiphysics数值模拟来完成，定向麦克风性能的测试分析，采 用美国Roland声卡和中国SKC公司生产的四分之一英寸预极化声学探头来记录信号， MATLAB软件进行后期信号的处理。

图1所示为本发明的基于回廊型超构材料的仿生学定向麦克风结构示意图。其由回廊型超 构材料放大器与位于声放大器后端的麦克风构成；超构材料放大器由前端的回廊结构1和后端 的共振腔2构成，回廊结构1中的回廊由多个插指结构相对交错排布构成，回廊结构1为四面 封闭构造，仅前端的声波入射口以及与共振腔连接的后端连通口开放。声信号经过回廊结构1 后，进入后端的共振腔2。其中回廊结构1和共振腔2均为工程塑料(ABS)，所述麦克风由 共振腔后端预留孔道伸入，用于接收信号。在麦克风与孔道间缝隙内填充有密封材料以保证共 振腔的气密性。

图1和图2中所示的具体参数值为w＝s＝10mm,t＝2mm,l＝22mm,h＝20mm， D＝70mm,T＝3mm,L＝68mm,d＝7.5mm。以上超构材料结构参数和共振腔的参数可以根据需 要调整和优化。

图3所示为回廊型超构材料声学等效参数。图中所有等效参数均为与相应空气参数比值。

图4所示为实验测得共振腔共振曲线。图中可以看出，赫姆霍兹共振腔的中心频率为 186Hz，带宽为51Hz，品质因子为3.86。在工作区间内，能量的放大倍数最大为9倍。

图5所示为实验测量定向效果图(与裸探头对比)。入射频率为186Hz，探头间距为0.5m。 从图上可以看出，在大角度入射条件下，相比裸探头仿生学定向麦克风的性能有明显提高。

本发明在工作波段，入射的声波经过声学超构材料放大器实现探测声强的放大，并被后端 的麦克风接收，从而提高探测灵敏度和探测的距离。后端麦克风接收到的信号经过适当的算法 反演出入射声波相位角。本发明不仅利用超构材料实现了入射声波的定向，而且可以通过改变 结构参数和放大器中心频率，改变目标的声定向信号的频率。这是一种适应性强、表现优良、 结构简单、易实现、低成本的新型声学定向麦克风。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质 精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。