一種可調諧超窄帶聲濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明屬于周期變截面波導缺陷模式及聲波整流技術，具體涉及一種可調諧超窄帶聲濾波器。一種可調諧的超窄帶聲濾波器，由周期變截面起伏結構構成的中空圓柱狀金屬壁波導，在波導中間引入內徑與粗管內徑相同的圓柱狀缺陷。濾波器管壁材料為剛性材料，材料厚度為5毫米，濾波器內部為空氣。本發明有超窄的濾波頻率，僅單一頻率通過。工作帶寬可通過改變周期變截面波導的尺寸來調節。在工作帶寬內，濾波頻率可調諧，具有很高的調諧精度。高的帶外抑制。波導材料可變，可根據使用環境選擇。波導制作及組裝簡單。
【專利說明】
一種可調諧超窄帶聲濾波器
技術領域
[0001] 本發明屬于周期變截面波導缺陷模式及聲波整流技術，具體涉及一種可調諧超窄 帶聲濾波器。
【背景技術】
[0002] 聲波是人們交流傳遞信息的重要手段之一，在一些領域如水聲通信、氣象雷達、醫 學B超等方面，聲學都有重要的作用，因此對聲波的調控具有十分重要的科學意義。
[0003] 在管道中的聲傳輸問題是目前聲學中較為重要的一個方向，例如傳感器靈敏度的 校正，吸聲材料的聲阻抗與吸聲系數測量，聲學器件設計，聲波模式控制以及一些聲學現象 的研究。在 1983 年，Bostrom 在 Wave Motion 上發表文章 （Acoustic waves in a cylindrical duct with periodically varying cross section)，用NF(null-field)方 法研究了在截面周期變化柱狀波導中的兩個較低模式的禁帶。在2012年，Rui-Qili在 Applied Physics Letters上發表文章 （Broadband asymmetric acoustic transmission in a gradient-index structure),利用聲學梯度材料使兩個方向入射的聲波具有不同的 傳播路徑，從而在極寬的頻帶范圍內實現了不對稱聲傳輸。在2013年，Bo Yuan在Applied Physics Letters上發表文章 （Broadband directional acoustic waveguide with high efficiency)，設計了一種線性的聲學濾波結構并制備了原理性器件，尺寸與聲波波長密切 相關。
[0004] 在專利方面，2013年，盧明輝等人在申請的專利（一種基于含時調制的聲二極管， CN103592019A)中描述了一種基于含時調制的聲二極管，由聲波導管中存在的可由電機帶 動旋轉的橢圓柱和位于聲波導管尾部的濾波器組成。正向入射的聲波經過旋轉的橢圓柱頻 率發生躍迀，可以通過濾波器，而反向入射的聲波則被濾波器直接過濾掉，這樣就實現了聲 波的單向導通功能。值得注意的是，在2011年，南京大學聲學研究所的梁彬等人在專利(一 種聲二級管以及檢測聲二級管的系統，CN102175300A)中提出了一種聲二級管以及檢測聲 二級管的系統，該系統由管殼的一段設有層狀超晶格結構的媒質和余下的一段設有強聲學 非線性的含氣泡材料的媒質組成，在二極管的兩側設置有多頻超高速換能器，在驅動電路 的控制下實現對聲二級管的檢測。2015年，郭文錦等人在申請的專利(一種極窄帶聲表面波 濾波器）中提出了一種橫向濾波器設計方法，通過優化抽指加權設計，衍射分析及修正，同 時采取措施有效抑制波導效應，具有高矩形度，高帶外抑制的優點。
[0005] 近年來，在周期波導中對聲波進行調控的問題成為了熱點，人們對聲波的調控方 法進行了多種多樣的嘗試。如基于布拉格共振和非布拉格共振的變截面周期波導的研究也 在逐漸展開。2008年，陶智勇教授等人研究了在周期變截面波導結構中共振產生的禁帶問 題（Resonance-induced band gaps in a periodic waveguide,Journal of Sound and Vibration)。布拉格共振和非布拉格共振導致的頻帶的分裂和頻域禁帶具有很重要的理論 價值，在工程領域和聲學器件的制造方面有著潛在的應用價值。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種滿足現有聲學系統中對單頻濾波的需求的基于變截 面周期波導的可調諧超窄帶聲濾波器。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的：
[0008] -種可調諧的超窄帶聲濾波器，由周期變截面起伏結構構成的中空圓柱狀金屬壁 波導，在波導中間引入內徑與粗管內徑相同的圓柱狀缺陷。
[0009] 所述的缺陷兩側波導周期個數均為10, A為周期長度和f?為中心頻率，每個周期的 細管粗管長度相同為周期長度A的一半，平均內徑為R，周期起伏參數e=0.1R，細管內徑為 R-e，粗管內徑為R+e。
[0010] 濾波器管壁材料為剛性材料，材料厚度為5毫米，濾波器內部為空氣。
[0011] 本發明的有益效果在于:超窄的濾波頻率，僅單一頻率通過。工作帶寬可通過改變 周期變截面波導的尺寸來調節。在工作帶寬內，濾波頻率可調諧，具有很高的調諧精度。高 的帶外抑制。波導材料可變，可根據使用環境選擇。波導制作及組裝簡單。
【附圖說明】
[0012] 圖la為本發明濾波器的聲壓分布圖。
[0013] 圖lb為本發明濾波器的周期單元示意圖。
[0014]圖2a為本發明濾波器波導內部結構圖。
[0015] 圖2b為本發明濾波器波導組裝示意圖。
[0016] 圖3為缺陷長度40mm禁帶中透射峰位置。
[0017] 圖4為不同頻率缺陷長度下的透射峰中心頻率及擬合曲線。
【具體實施方式】
[0018] 下面根據附圖對本發明具體實施案例進行詳細的描述。
[0019] -種可調諧超窄帶聲濾波器，由變截面周期圓柱波導組成，包括缺陷和左右兩側 波導以及一一維平移系統。所述缺陷為與波導粗管內徑相同的圓柱形管材，缺陷左右波導 布置在一維平移系統上，所述一維平移系統主體為兩個超精密重載型電控平移臺。缺陷引 入破壞了周期結構的完整性，聲波在缺陷處局域化，基模發生局域共振產生一個新的局域 模式，表現為在禁帶中產生一個單頻透射峰。此單頻透射峰頻率與缺陷長度嚴格相關，長度 變長，頻率向低頻移動，通過改變缺陷長度可以達到調諧單頻透射頻率的目的。進一步，通 過改變周期長度A可得到可調諧濾波的頻帶，通過對周期起伏參數￡的改變可調整工作帶 寬。本發明具有超窄的濾波頻率及寬帶工作帶寬，高帶外抑制，濾波頻率以及工作帶寬可調 等優點，具有很高的商業及應用價值，同時對未來更為復雜的濾波器件的設計打下基礎。
[0020] -種可調諧的超窄帶聲濾波器，它是由周期變截面起伏結構構成的中空圓柱狀金 屬壁波導，此波導根據設計參數不同在特定頻帶產生禁帶。在波導中間引入內徑與粗管內 徑相同的圓柱狀缺陷，缺陷引入的地方周期結構的完整性被破壞，聲波局域化，在缺陷處基 模發生局域共振產生一個局域模式，表現為在禁帶中產生一個單頻透射峰。此單頻透射峰 中心頻率隨著缺陷長度的變化在禁帶中移動，缺陷長度變長，頻率向低頻移動，通過改變缺 陷長度可以達到調諧單頻透射峰位置的目的。
[0021 ]此單頻透射峰中心頻率隨著缺陷長度的變化而變化，長度變長，頻率向低頻移動， 通過改變缺陷長度可以達到調諧單頻透射峰中心頻率的目的。
[0022]見說明書附圖la、b，缺陷兩側波導周期個數均為10,周期長度A和中心頻率f有 關，每個周期的細管粗管長度相同為周期長度A的一半，平均內徑R與一階模的截止頻率有 關，周期起伏參數e = 〇 . 1R，細管內徑為R_e，粗管內徑為R+e。通過改變周期長度可以控制濾 波器工作頻帶，e的大小可變用來控制帶寬，e變大，頻帶變寬，相反則頻帶變窄。
[0023] 見說明書附圖2b為濾波器加工組裝示意圖，它由缺陷B，兩側波導⑶及一維平移系 統組成。缺陷B通過架子固定于光學平臺E上，兩側波導通過支架及板架與平移臺A精確連 接，兩側波導細管插入缺陷，總體呈現一線性結構。通過平移臺調整兩側波導CD與缺陷B的 相對位置得到不同的缺陷長度，從而實現可調諧的濾波功能。為了達到1Hz的濾波分辨率， 平移臺的位移精度需高于0.1毫米。缺陷長度的變化通過超精密重載型電控平移臺組成的 一維平移系統控制，裝配光柵尺，準確輸出移動量，分辨率0.0001毫米。在缺陷B與兩側波導 CD的連接處涂抹高分子凝膠溶液，并用阻聲紙進行密封。
[0024] 濾波器管壁材料為剛性材料，如不銹鋼，鋁合金，材料厚度為5毫米。濾波器內部皆 為空氣，沒有任何填充材料。
[0025] 圖la包括缺陷及缺陷兩側波導的聲壓分布，缺陷兩側變截面周期波導均有10個周 期，在缺陷處因為局域模的共振聲壓明顯高于兩側周期波導。
[0026] 圖lb前端為細管，內徑為R_e，后端為粗管，粗管內徑為R+e。
[0027] A為變截面周期波導的周期長度
[0028] R為平均內徑
[0029] 1為缺陷長度
[0030] e為周期起伏參數，取e=0.1R
[0031] 10為周期個數
[0032]由圖2a可以看出，濾波器主體由缺陷B及兩側波導CD組成，中間缺陷B為內徑與粗 管相同的圓柱形管材，缺陷長度為兩側波導細管之間的距離1。基模由左側入射。
[0033]圖2b缺陷固定于光學平臺E上，兩側波導通過支架及板架與平移臺A精確連接，缺 陷長度通過兩個平移臺調整。
[0034] A為超精密重載型電控平移臺
[0035] B為缺陷
[0036] C為左側變截面周期波導
[0037] D為右側變截面周期波導
[0038] E為光學平臺，起固定濾波器的作用
[0039] 1為缺陷長度
[0040] 如圖3所示，橫軸為頻率，縱軸為傳輸系數dB。禁帶中出現一透射峰，透射峰兩側頻 率，透過率小，衰減很大，具有很高的帶外抑制。缺陷長度40mm的透射峰位于2339Hz。
[0041] 如圖4所示，橫軸為缺陷長度，縱軸為透射峰頻率。黑色三角為不同缺陷長度下的 透射峰中心頻率，紅色線為擬合曲線，擬合結果為f = -10.01*1+2753，f為中心頻率，L為缺 陷長度。由擬合結果可以看到，缺陷長度每變化〇. 1mm，透射峰中心頻率變化1Hz。
[0042] 該濾波器的濾波范圍可調節且對聲波的入射角度和強度沒有要求。
[0043] 見說明書附圖2b為濾波器加工組裝示意圖，它由缺陷B，兩側波導⑶及一維平移系 統組成。變截面波導是由兩種內徑不同的圓柱形管材組合而成，這兩種不同內徑的管材稱 為細管與粗管，兩者長度皆為周期長度A的一半，濾波器工作頻帶決定周期長度A，一階模 的截止頻率決定平均內徑R，細管內徑為R_e，粗管內徑為R+e。
[0044] 缺陷為內徑與粗管內徑相同的圓柱狀缺陷，兩側波導的細管插入缺陷，總體呈現 一線性結構。缺陷B通過架子固定于光學平臺E上，兩側波導CD與平移臺A連接，通過平移臺 調整兩側波導與缺陷B的相對位置得到不同的缺陷長度，從而實現可調諧的濾波功能。為了 達到1Hz的濾波分辨率，選用超精密重載型電控平移臺組成一維平移系統，裝配光柵尺，分 辨率0.0001毫米。
[0045] 本發明濾波器結構簡單，易于實現，在工作帶寬內，濾波頻率可調諧，且具有很高 的調諧精度及高的帶外抑制。
[0046]在直波導中增加周期結構，由于結構的引入，模式之間的正交性會被破壞，模式之 間會出現相互作用，當工作頻率小于一階模的截止頻率時，高階模沒有激發，在波導內只存 在基模，設定這時基模的縱向波數為k，由于周期起伏結構的反射在入射基模相反方向上產 生一個縱向波數為_k的基模。當這兩個波數的絕對值的和等于波導的波數的時候就會發生 傳統意義上的布拉格共振，是反射波和入射波之間的相互作用，是基模之間的相互作用。
[0047]本發明由變截面周期中空圓柱形波導構成，變截面波導是由兩種內徑不同的圓柱 形管材組合而成，這兩種不同內徑的管材稱為細管與粗管。在濾波器的中間部位引入缺陷， 缺陷為內徑與粗管相同的圓柱形管材，缺陷引入的地方周期結構的完整性被破壞，聲波局 域化，在缺陷處基模發生局域共振產生一個局域模式，表現為在禁帶中產生一個單頻透射 峰。此單頻透射峰中心頻率隨著缺陷長度的變化而變化，長度變長，頻率向低頻移動。
[0048]如上所述周期變截面起伏波導結構參數可由布拉格共振機理給出，色散曲線如下 式：
[0050]其中，c為聲速，f為透射譜的中心頻率，p為第p階橫向模式，V為第p階Bessel函數 的零點，/) = ()J，…=丨(U.8317,7.0丨56J0.1735,13.3237....丨..R是周期變截面波導的平均內 徑，A是波導的周期長度，0是傳播常數，n是Bragg共振的階數，n的取值為0，1，2,3"_.:設定 f = 2500Hz，此時周期變截面中空圓柱形波導的平均內徑R = 40mm，波導周期長度A = 70mm， 波導周期起伏參數e=〇. 1R，即細管內徑為36mm，粗管內徑為44mm。
[00511設定工作頻率為2500Hz，因為周期變截面起伏波導結構參數由一階布拉格共振給 出，設定一階模的截止頻率為5230Hz遠高于工作頻率，通過計算得到一階布拉格共振條件 下的周期變截面波導的周期長度為A=70mm，平均內徑為R = 40mm，周期起伏參數e取0.1， 即對應的細管和粗管內徑為36毫米和44毫米。
[0052]見說明書附圖2(b)為可調諧超窄帶聲濾波器加工組裝圖，圖紙由solidworks軟件 繪制，此發明具體實例所用管料為304不銹鋼，管壁厚度5毫米，缺陷及左右波導使用數控車 床加工，一體成型，固定架根據實際尺寸設計，采用焊接的方法與缺陷及兩側波導連接，固 定架底部有M6螺紋孔用以和平移臺，光學平臺連接。
[0053]缺陷(B)通過架子固定于光學平臺（E)上，兩側波導(CD)布置在平移臺(A)上，兩側 波導的細管插入缺陷，為了保證缺陷與兩側波導之間組合的緊密，使用高分子凝膠溶液涂 抹于連接處，外部使用阻聲紙進行密封。缺陷長度為細管之間的相對距離，可通過平移臺調 整兩側波導與缺陷的相對位置得到不同的缺陷長度，從而實現可調諧的濾波功能。為了達 到lHz的濾波分辨率，選用超精密重載型電控平移臺組成一維平移系統，裝配光柵尺，分辨 率為0.0001毫米。
[0054] 圖3所示為可調諧超窄帶聲濾波器的禁帶中透射峰位置隨缺陷長度變化曲線，選 擇不同的缺陷長度得到對應長度下的透射峰中心頻率。表1為不同缺陷長度下的透射峰中 心頻率。圖4為不同頻率缺陷長度下的透射峰中心頻率及擬合曲線，擬合結果為f = -10.01* 1+2753。
[0055] 表1不同缺陷長度下的透射峰中心頻率
[0057]綜上所述，本發明基于布拉格共振的變截面周期波導中缺陷模式的作用，實現了 在可聽聲波段的超窄帶濾波的功能，單頻聲波的濾波在聲學系統中有著很好的應用。本發 明設計方法簡單，易于加工及組裝。上述具體實施的結構參數只是為了更好的說明該發明， 在不同的應用場合，可改變結構尺寸及材料來滿足各種條件。本發明的保護范圍并不以上 述實施參數為限，但凡根據本發明所提出內容所做的參數細調或等效修飾，皆在權利要求 書記載的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種可調諧的超窄帶聲濾波器，其特征在于：由周期變截面起伏結構構成的中空圓 柱狀金屬壁波導，在波導中間引入內徑與粗管內徑相同的圓柱狀缺陷。2. 根據權利要求1所述的一種可調諧的超窄帶聲濾波器，其特征在于:所述的缺陷兩側 波導周期個數均為10, Λ為周期長度和f為中心頻率，每個周期的細管粗管長度相同為周期 長度Λ的一半，平均內徑為R，周期起伏參數ε = 〇. IR，細管內徑為R-ε，粗管內徑為R+ε。3. 根據權利要求1所述的一種可調諧的超窄帶聲濾波器，其特征在于:濾波器管壁材料 為剛性材料，材料厚度為5毫米，濾波器內部為空氣。
【文檔編號】G10L21/0208GK105913852SQ201610289419
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】樊亞仙, 桑湯慶, 趙秋玉, 徐蘭蘭, 陶智勇
【申請人】哈爾濱工程大學