一种基于仿生人耳的水下传声超材料
1.本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种基于仿生人耳的水下传声超材料。
背景技术：
2.声学超材料是人工设计的结构单元周期排列形成的新型声学材料或结构，可以获得自然界材料不具有的超常物理特性。声学超材料具有负等效质量密度、负等效体积模量、负折射效应等特性，能突破传统声学材料质量定律的限制。对于具有负动态质量特性的膜型超材料来说，合理调节膜和水-空气界面的距离和膜上负载质量，就可以将水的阻抗转换为空气的阻抗，提高传输效率。
3.人的中耳也有类似的阻抗匹配作用，这种作用可以使空气的低阻抗和耳蜗的高阻抗匹配起来。人的外耳和空气接触，内耳充满液体，二者的声阻抗不同。声音在从外界通过这一系列耳朵内部结构时，想要使声音从空气传递进入人内耳液体中，就需要克服高的阻抗差异。在中耳中，一系列组织结构依次连接：鼓膜连接着锤骨；锤骨和砧骨以一固定角度连接，连接节点处可以视作一个支点，锤骨和砧骨可以绕着这个支点旋转；镫骨连接在砧骨后，并且连接着卵圆窗；卵圆窗通向内耳耳蜗。中耳内的三块铰接骨骼起着听觉杠杆的作用，将来自鼓膜中的声学振动放大并且传递到内耳中。人类中耳的阻抗变换比约为32倍。中耳系统的增压作用约为30db，基本弥补了声音从外耳传递进内耳淋巴液的声能衰减。
4.由于水和空气的声阻抗有很大的差异，声音在从水透射进入空气的时候，大部分声波在边界反射回去，导致巨大的声损耗，只有大约1％的声音可以透射过水-空气界面。高效率的跨水-空气界面传输在水下通信，水声学等领域有着巨大的应用前景。声学超材料常常被用来提高声传输效率。对于现有的小尺寸的薄膜声学超材料来说，由于超材料尺寸狭小，会产生热黏性损耗，消耗声能，使传输效率降低。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种基于仿生人耳的水下传声超材料，在人中耳阻抗匹配原理的启发下，使用杠杆放大机构，放大薄膜的声振动，减少热黏性损耗的影响，利用人耳阻抗匹配的原理，来提高水-空气界面的声音传输效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于仿生人耳的水下传声超材料，包括圆柱空筒、薄膜、带有质量块的薄膜、支撑框架以及杠杆机构；所述圆柱空筒内安装有支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ，带有质量块的薄膜ⅰ安装于支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ之间，支撑框架ⅱ端面处通过间隔板安装有薄膜ⅱ，带有质量块的薄膜ⅰ的薄膜与薄膜ⅱ之间通过杠杆机构连接。
8.所述杠杆机构由l型杆、短直杆和长直杆组成，所述l型杆、短直杆和长直杆一端通过其上的环状体与短轴铰接连接，l型杆的另一端连接到支撑框架ⅱ上，长直杆另一端连接到带有质量块的薄膜ⅰ的薄膜上，短直杆另一端连接到薄膜ⅱ上。
9.所述间隔板的厚度为带有质量块的薄膜ⅰ与薄膜ⅱ之间的距离a。
10.所述薄膜ⅰ、薄膜ⅱ及扇形薄膜均由乳胶橡胶和聚乙烯制成。
11.所述距离a、薄膜张力和杠杆比可根据实际情况进行参数调整，其中杠杆比为长直杆和短直杆的长度之比。
12.所述间隔板为中心加工有通孔的圆板。
13.所述支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ结构相同，均包括基体，沿基体的周向开设有扇形孔，且在扇形孔上安装有扇形薄膜，且基体的中心处开设有通孔。
14.本发明的有益效果为：
15.本发明是利用附有一定质量的薄膜，调节薄膜ⅱ和带有质量块的薄膜ⅰ之间的距离，让其将水的阻抗转换为空气的阻抗。同时进一步的基于模仿中耳阻抗匹配原理，模仿中耳内相互铰接的三块骨头支撑的杠杆机构，通过杠杆机构放大作用实现空气和液体阻抗匹配，从而提高声音通过水-空气界面时的透射效率。通过特殊的阻抗匹配结构和尺寸设计，在热传导损失和粘性损失的影响下，相比于同类结构，本设计显著的提高了传输效率。增大或者减小膜张力，可以使传输频率向高频或低频移动。增大或者减小距离a的大小，传输频率向低频或高频变化。
16.本发明传声超材料实现了声音跨水-空气界面的传输，克服了大的阻抗失配。
17.本发明传声超材料可以调整参数，实现不同频率的透射，多个超材料组成的阵列甚至可以形成宽带传输。
18.本发明的传声超材料尺寸小，远小于该频段声音波长。
附图说明
19.图1为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料结构示意图；
20.图2为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料带有质量块的薄膜示意图；
21.图3为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料支撑框架示意图；
22.图4为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料杠杆机构示意图；
23.图5为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料间隔板示意图；
24.图6为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料扇形薄膜示意图；
25.图7为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料声透射系数仿真结果图；
26.图8为本发明的一种基于仿生人耳的水下传声超材料隔声量仿真结果图；
27.1-圆柱空筒，2-薄膜ⅱ，3-带有质量块的薄膜ⅰ，401-支撑框架ⅰ，402-支撑框架ⅱ，5-杠杆机构，6-间隔板，7-扇形薄膜。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
29.如图1至图6所示，一种基于仿生人耳的水下传声超材料，包括圆柱空筒1、薄膜ⅱ2、带有质量块的薄膜ⅰ3、支撑框架4以及杠杆机构5；所述圆柱空筒1内安装有支撑框架ⅰ401和支撑框架ⅱ402，带有质量块的薄膜ⅰ3安装于支撑框架ⅰ401和支撑框架ⅱ402之间，所述带有质量块的薄膜ⅰ3由薄膜ⅰ和质量块组成，且在薄膜ⅰ的中心处一侧安装有质量块，带有质量块的薄膜ⅰ3上的质量块位于支撑框架ⅰ401中心处的通孔内，支撑框架ⅱ402远离支撑
框架ⅰ401一端的端面处通过间隔板6安装有薄膜ⅱ2，间隔板6也安装于圆柱空筒1内，带有质量块的薄膜ⅰ3与薄膜ⅱ2之间通过杠杆机构5连接；所述杠杆机构5由l型杆、短直杆和长直杆组成，所述l型杆、短直杆和长直杆一端通过其上的环状体以固定角度与短轴铰接连接，l型杆的另一端连接到支撑框架ⅱ402上，长直杆另一端连接到带有质量块的薄膜ⅰ3的薄膜上，短直杆另一端连接到薄膜ⅱ2上，本实施例中杠杆机构5通过微机电加工方法制作。
30.圆柱空筒1垂直置于水和空气交界之间，其中一侧的薄膜位于水和空气界面上，另一侧薄膜位于空气中。杠杆机构5整体可以沿着支点转动，将一侧薄膜上的振动放大传输到另一侧的薄膜上。由于制造难度大，通过支撑框架支撑薄膜。利用阻抗匹配的原理实现高效率的水-空气界面声传输。
31.所述间隔板6的厚度为带有质量块的薄膜与薄膜之间的距离a。
32.所述薄膜ⅰ、薄膜ⅱ2及扇形薄膜7均由乳胶橡胶和聚乙烯制成。
33.所述带有质量块的薄膜ⅰ3和薄膜ⅱ2距离a、带有质量块的薄膜ⅰ3、薄膜ⅱ2及扇形薄膜7的薄膜张力和杠杆机构5的杠杆比可根据实际情况进行参数调整，其中杠杆比为长直杆和短直杆的长度之比。
34.所述间隔板6为中心加工有通孔的圆板。
35.所述支撑框架ⅰ401和支撑框架ⅱ402结构相同，均包括基体，沿基体的周向开设有扇形孔，且在扇形孔上安装有扇形薄膜7，且基体的中心处开设有通孔。
36.实施例1
37.带有质量块的薄膜ⅰ3与薄膜ⅱ2之间的距离a为2.671mm，带有质量块的薄膜ⅰ3和薄膜ⅱ2的张力为67.5n/m，扇形薄膜7的张力为44.4n/m，杠杆比为2。
38.如图7所示，在低频段，690hz左右，该超材料显著的提高了传输效率，透射系数约为0.74。
39.实施例2
40.带有质量块的薄膜ⅰ3与薄膜ⅱ2之间的距离a为2.671mm，带有质量块的薄膜ⅰ3和薄膜ⅱ2的张力为67.5n/m，扇形薄膜7的张力为44.4n/m，杠杆比为2。
41.如图8所示，隔声量在690hz时，减少到了3db左右，证明了声音在此频率时，可以较好的通过水-空气界面。
42.除了以上提出的实例，基于仿生人耳的水下传声超材料的材料、结构参数均可以变化。上面结合附图对本发明的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。
技术特征：
1.一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于，包括圆柱空筒、薄膜、带有质量块的薄膜、支撑框架以及杠杆机构；所述圆柱空筒内安装有支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ，带有质量块的薄膜ⅰ安装于支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ之间，支撑框架ⅱ端面处通过间隔板安装有薄膜ⅱ，带有质量块的薄膜ⅰ的薄膜与薄膜ⅱ之间通过杠杆机构连接。2.根据权利要求1所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述杠杆机构由l型杆、短直杆和长直杆组成，所述l型杆、短直杆和长直杆一端通过其上的环状体与短轴铰接连接，l型杆的另一端连接到间隔板上，长直杆另一端连接到带有质量块的薄膜ⅰ的薄膜上，短直杆另一端连接到薄膜ⅱ上。3.根据权利要求1所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述间隔板的厚度为带有质量块的薄膜ⅰ与薄膜ⅱ之间的距离a。4.根据权利要求3所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述带有质量块的薄膜ⅰ和薄膜ⅱ之间的距离a、带有质量块的薄膜ⅰ、薄膜ⅱ及扇形薄膜的薄膜张力和杠杆机构的杠杆比可根据实际情况进行参数调整，其中杠杆比为长直杆和短直杆的长度之比。5.根据权利要求1所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述薄膜ⅰ、薄膜ⅱ及扇形薄膜均由乳胶橡胶和聚乙烯制成。6.根据权利要求1所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述间隔板为中心加工有通孔的圆板。7.根据权利要求1所述的一种基于仿生人耳的水下传声超材料，其特征在于：所述支撑框架ⅰ和支撑框架ⅱ结构相同，均包括基体，沿基体的周向开设有扇形孔，且在扇形孔上安装有扇形薄膜，且基体的中心处开设有通孔。
技术总结
一种基于仿生人耳的水下传声超材料，属于声学超材料技术领域，包括圆柱空筒、薄膜、带有质量块的薄膜、支撑框架以及杠杆机构；所述圆柱空筒内安装有支撑框架Ⅰ和支撑框架Ⅱ，带有质量块的薄膜Ⅰ安装于支撑框架Ⅰ和支撑框架Ⅱ之间，支撑框架Ⅱ端面处通过间隔板安装有薄膜Ⅱ，带有质量块的薄膜Ⅰ的薄膜与薄膜Ⅱ之间通过杠杆机构连接。本发明传声超材料实现了声音跨水-空气界面的传输，克服了大的阻抗失配。本发明传声超材料可以调整参数，实现不同频率的透射，多个超材料组成的阵列甚至可以形成宽带传输。本发明的传声超材料尺寸小，远小于该频段声音波长。段声音波长。段声音波长。
