CN114264363B - 一种用于频率提取的超声色散反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于频率提取的超声色散反射器，用于提取多频入射超声波中不同的频率分量，包括：基座以及多个设置于基座上的反射单元，其中，反射单元包括一层用于反射超声波的填充结构以及一层用于介质流通的空腔，且填充结构用于反射超声波，同时为反射声波提供相位延迟，该相位延迟与频率相对应，使得不同频率的超声波定向反射至不同方向，从而完成超声频率的提取。本发明具有频率提取准确率高、敏感度高、兼容性强等优点，在生物医学工程、医学超声等领域具有非常重要的应用价值，为设计可精确调制声频谱的高性能声学器件提供了新思路。
Description
技术领域
本发明属于声学领域，具体涉及一种用于频率提取的超声色散反射器。
背景技术
无论是在基础物理领域还是实际的应用领域，有目的地操控声波一直是声学研究的重要问题。近年来，随着声学环境的复杂化，如何使用声学超材料高效地实现声波频率提取，从而获得有价值的声信息，成为国内外研究的一个热点。传统的频率提取方法主要是基于局部共振设计彩虹陷波装置，由于局部共振的强色散性，入射波在沿着结构传播时会变慢并放大，不同频率的声波在结构内部不同位置被捕获，从而达到频率提取的效果。常见的声彩虹结构包括梯度分布的穿孔刚性板、空间盘绕各向异性超材料、负折射率声子晶体等。但是，基于局部共振设计的彩虹陷波装置往往由高精度的细微结构构成，这在实际应用中具有非常严格的制作要求。同时，在传统的方案中，提取后的声波被限制在结构内部特定的位置，无法传播到自由空间中，，这对声波的检测和后处理也存在相当大的挑战。因此，设计一种结构简单、易于制作，并且可以直接使用单一信号采集器接收声波的频率提取装置，具有重要的意义。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于频率提取的超声色散反射器。
本发明提供了一种用于频率提取的超声色散反射器，用于提取多频入射超声波中不同的频率分量，具有这样的特征，包括：基座以及多个设置于基座上的反射单元，其中，反射单元包括一层用于反射超声波的填充结构以及一层用于介质流通的空腔，基座与填充结构采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。
在本发明提供的用于频率提取的超声色散反射器中，还可以具有这样的特征：其中，基座的厚度大于0.5λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。
在本发明提供的用于频率提取的超声色散反射器中，还可以具有这样的特征：其中，每个反射单元的宽度为0.707λ，每个填充结构的高度为0.25λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。
在本发明提供的用于频率提取的超声色散反射器中，还可以具有这样的特征：其中，每个填充结构的宽度为反射单元的宽度的1/4-3/4。
在本发明提供的用于频率提取的超声色散反射器中，还可以具有这样的特征：其中，填充结构采用的形状为形状规则的几何形状，且多个反射单元中各个填充结构为组合型几何形状的填充结构，即由矩形、三角形、椭圆形、圆形、梯形这些形状规则的几何形状的填充结构随机排列而成。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的用于频率提取的超声色散反射器，因为填充结构能够在宽频超声波以一个特定的角度入射后，为反射声波提供相位延迟，且该相位延迟与频率相对应，从而使得不同频率的声波定向反射至不同方向，各个频率分量可以在空间中得以分离，进而高效地实现对宽频超声波的频率提取。因此，本实施例仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。
因此，本发明的用于频率提取的超声色散反射器能够利用超材料的色散特性对反射声波进行独特的空间谱调制，从而能够在超声频率范围内高效地实现频率提取，并且提取后的声波可以在自由空间中传播，便于直接使用单一信号采集器接收。另外，本发明的用于频率提取的超声色散反射器呈平板状、结构紧凑、设计简单、操作空间大、制作成本低，不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，还具有频率提取准确率高、敏感度高、兼容性强等优点，其独特的空间谱调制能力可以高性能地控制声频谱，在生物医学工程、医学超声等领域具有非常重要的应用价值，为设计可精确调制声频谱的高性能声学器件提供了新思路，使其在医学超声信号处理、降噪和传感等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的用于频率提取的超声色散反射器的结构示意图；
图2是本发明的用于频率提取的超声色散反射器的原理示意图；
图3是本发明的用于频率提取的超声色散反射器的反射单元的二维平面示意图；
图4是本发明实施例中混叠两个频率超声波的反射压力场仿真分布图；
图5是本发明实施例中中心频率300kHz时仿真和实验下的提取频率结果图；
图6是本发明实施例中中心频率300kHz时仿真和实验下的频率灵敏度曲线；
图7是本发明实施例中中心频率500kHz时仿真和实验下的提取频率结果图；
图8是本发明实施例中中心频率500kHz时仿真和实验下的频率灵敏度曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的用于频率提取的超声色散反射器的结构示意图。
如图1所示，本发明提供了一种用于频率提取的超声色散反射器100，用于提取多频入射超声波中不同的频率分量，包括：基座1以及多个设置于基座1上的反射单元2。
反射单元2包括一层用于反射超声波的填充结构21以及一层用于介质流通的空腔22，其中，填充结构21用于反射超声波，同时为反射声波提供相位延迟，该相位延迟与频率相对应，使得不同频率的超声波定向反射至不同方向，从而完成超声频率的提取。
本发明中，基座1与填充结构21采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。
本发明中，基座1的厚度大于0.5λ，每个反射单元2的宽度为0.707λ，每个填充结构21的高度为0.25λ，其中，λ为入射声波中心频率对应的波长。
本发明中，每个填充结构21的宽度为反射单元2的宽度的1/4-3/4，填充结构21采用的形状为形状规则的几何形状，且多个反射单元2中的各个填充结构21为组合型几何形状的填充结构，即可以由矩形、三角形、椭圆形、圆形、梯形等这些基本的形状规则的几何形状的填充结构21随机排列而成，即填充结构21不需要完全相同或者完全不同，从而给结构设计带来了很大的自由度和拓展空间，即使制作上有缺陷，如：填充结构21有裂痕、形状不完整等，也不会影响到频率提取的性能。
图2本发明的用于频率提取的超声色散反射器的原理示意图，图中虚线箭头指示入射宽频超声波的传播方向，实线箭头指示频率提取后的反射声波的传播方向。
如图2所示，当频率混叠的宽频超声波以一个特定的角度入射至超声色散反射器100的表面时，该装置能够为反射声波提供相位延迟，该相位延迟与频率相对应，使得不同频率的声波反射至不同的方向，从而达到频率提取的效果。
实施例：
图3是本发明的用于频率提取的超声色散反射器的反射单元的二维平面示意图。
如图1和图3所示，本实施例中的基座1的厚度为h0＝λ，每个反射单元2的宽度为d0＝0.707λ，每个反射单元2中的填充结构21的几何形状不同，可以设置为三角形、椭圆形、梯形等，宽度统一为d1＝0.35λ，高度统一为h1＝0.25λ。
图4是本发明实施例中混叠两个频率超声波的反射压力场仿真分布图，图中白色箭头指示混叠两个频率的宽频超声波的入射方向，黑色箭头分别指示两个频率分量提取声波的反射方向。
如图4所示，本实施例进行仿真实验，且背景介质设定为水，其密度和声速分别为1000kg/m3和1500m/s，入射声波的混叠频率为260kHz与360kHz，中心频率为300kHz，中心频率对应的波长λ＝5mm。结构的材料为不锈钢，密度为7850kg/m3，声速为5740m/s。其他声学阻抗大于水声阻抗的20倍的材料同样可以采用。
本实施例中，宽频超声波以45°入射至超声色散反射器100的表面，引起的反射声压场中出现两条明显的反射声波传播路径，反射角67.65°的声波对应频率为260kHz，反射角28.14°的声波对应频率为360kHz，此时，入射宽频超声波中的两个频率分量在空间上得到充分分离，从而可知，超声色散反射器100达到了显著的频率提取效果，并且反射声波仍处于传播态，这有利于直接使用单一信号采集装置对反射声波进行接收与检测。
图5是本发明实施例中中心频率300kHz时仿真和实验下的提取频率结果图，图6是本发明实施例中中心频率300kHz时仿真和实验下的频率灵敏度曲线，图7是本发明实施例中中心频率500kHz时仿真和实验下的提取频率结果图，图8是本发明实施例中中心频率500kHz时仿真和实验下的频率灵敏度曲线，其中正方形点表示实验结果，圆点表示仿真结果。
如图5-图8所示，本实施例中采用具体的实验来验证所设计色散反射器的频率提取效果，并且实验条件与仿真条件一致，结构的材料同样采用不锈钢。
如图5和图6所示，中心频率为300kHz时，在实验和仿真条件下，提取频率与理论频率的相关系数均接近1，准确率超过95％，频率灵敏度高于5％，有效频率范围为260kHz-470kHz，可达0.85倍频程，由此可知，超声色散反射器100完美地实现了对宽频超声波的频率提取。
如图7和图8所示，中心频率为500kHz时，在实验和仿真条件下，提取频率与理论频率均具有良好的一致性，准确率超过95％，频率灵敏度高于4％，有效频率范围为410kHz-760kHz，可达0.89倍频程，由此可知，超声色散反射器100可以广泛应用于不同中心频率的实际场景中，具有重要的实用价值。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的用于频率提取的超声色散反射器，因为填充结构能够在宽频超声波以一个特定的角度入射后，为反射声波提供相位延迟，且该相位延迟与频率相对应，从而使得不同频率的声波定向反射至不同方向，各个频率分量可以在空间中得以分离，进而高效地实现对宽频超声波的频率提取。因此，本实施例仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。
此外，由实施例可知，当入射超声波中心频率为300kHz时，本实施例的用于频率提取的超声色散反射器提取频率的准确率超过95％，频率灵敏度高于5％，有效频率范围可达0.85倍频程；当入射超声波中心频率为500kHz时，本实施例的用于频率提取的超声色散反射器提取频率的准确率超过95％，频率灵敏度高于4％，有效频率范围可达0.89倍频程，从而可知，在生物医学工程、医学超声等实际应用中具有广阔的前景。
因此，本实施例的用于频率提取的超声色散反射器能够利用超材料的色散特性对反射声波进行独特的空间谱调制，从而能够在超声频率范围内高效地实现频率提取，并且提取后的声波可以在自由空间中传播，便于直接使用单一信号采集器接收。另外，本实施例的用于频率提取的超声色散反射器呈平板状、结构紧凑、设计简单、操作空间大、制作成本低，不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，还具有频率提取准确率高、敏感度高、兼容性强等优点，其独特的空间谱调制能力可以高性能地控制声频谱，在生物医学工程、医学超声等领域具有非常重要的应用价值，为设计可精确调制声频谱的高性能声学器件提供了新思路，使其在医学超声信号处理、降噪和传感等领域具有广阔的应用前景。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于频率提取的超声色散反射器，用于提取多频入射超声波中不同的频率分量，其特征在于，包括：
基座以及多个设置于所述基座上方的反射单元，
其中，所述反射单元包括一层用于反射超声波的填充结构以及一层用于介质流通的空腔，
所述基座与所述填充结构采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金，
所述填充结构采用的形状为形状规则的几何形状，且多个所述反射单元中的各个所述填充结构为组合型几何形状的填充结构，即由矩形、三角形、椭圆形、圆形、梯形这些形状规则的几何形状的填充结构随机排列而成;
所述基座的厚度大于0.5λ，λ为入射声波中心频率对应的波长，每个所述填充结构的宽度为所述反射单元的宽度的1/4-3/4。
2.根据权利要求1所述的用于频率提取的超声色散反射器，其特征在于：
其中，每个所述反射单元的宽度为0.707λ，每个所述填充结构的高度为0.25λ。
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