本發(fā)明涉及聲學(xué)測量及探測設(shè)備；互聯(lián)網(wǎng)與云計算產(chǎn)業(yè)中工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知等領(lǐng)域，尤其涉及一種高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計優(yōu)化方法、顆粒尺寸檢測傳感器。

背景技術(shù)：

1、聲共振結(jié)構(gòu)也能夠?qū)β晧簣龇植歼M(jìn)行有效調(diào)控，連續(xù)域束縛態(tài)（bound?states?inthe?continuum，簡稱“bic”）由于其極端的場約束能力以及極窄的散射譜線寬，被認(rèn)為是實現(xiàn)超高品質(zhì)因子（quality?factor，簡稱“q值”）的新機(jī)制，在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用中都受到了極大的關(guān)注。bic是一種特殊本征態(tài)，它與輻射態(tài)共存卻具有強(qiáng)烈的局域性，不向自由空間輻射能量。為了確定在一個開放系統(tǒng)中波能否被完美束縛，一個簡單的標(biāo)準(zhǔn)就是看它的頻率，如果頻率在傳播波跨越的連續(xù)頻譜范圍之外，則它可以作為束縛態(tài)存在，因為沒有能夠向外輻射的通道。相反，頻率處于連續(xù)頻譜內(nèi)的模式只可能是一種能量泄漏并輻射到無窮遠(yuǎn)的共振態(tài)。這種觀點是傳統(tǒng)束縛態(tài)的定義。然而，連續(xù)譜中的束縛態(tài)則是一個反直覺的現(xiàn)象：它位于連續(xù)譜內(nèi)并與輻射波共存，但仍保持完全封閉的狀態(tài)，沒有任何能量泄露，因此bic也被稱為捕獲模態(tài)（trapped?mode）。理論上，由bic激發(fā)的諧振的q值是無窮大且共振線寬為0。

2、單個諧振聲腔內(nèi)的兩個高階模態(tài)天然耦合，調(diào)節(jié)一個幾何尺寸會同時改變兩個模態(tài)，經(jīng)過調(diào)制可以實現(xiàn)bic模態(tài)；設(shè)計時不考慮阻尼的影響，仿真計算和實驗測量時阻尼對q值影響較大。

3、在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，申請人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)諧振聲腔中，空氣熱粘性阻尼會導(dǎo)致實驗測量的q遠(yuǎn)小于理論預(yù)測值，在聲學(xué)結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用中不可避免地要考慮阻尼對q值的影響，現(xiàn)有的基于bic實現(xiàn)高q結(jié)構(gòu)技術(shù)未考慮阻尼對q值的影響。如何基于連續(xù)域束縛態(tài)設(shè)計考慮阻尼的高品質(zhì)因子諧振結(jié)構(gòu)是聲學(xué)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一項技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、一、要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明期望能夠至少部分解決上述技術(shù)問題中的其中之一。

3、二、技術(shù)方案

4、本發(fā)明第一方面提供了一種高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)包括：波導(dǎo)；第一諧振器，旁支于波導(dǎo)的外側(cè)，其內(nèi)部的第一諧振聲腔通過第一中空頸部連接至波導(dǎo)內(nèi)部，其頂部設(shè)置有第一阻抗邊界，該第一阻抗邊界為第一諧振聲腔提供聲學(xué)增益；第二諧振器，旁支于波導(dǎo)的外側(cè)，其內(nèi)部的第二諧振聲腔通過第二中空頸部連接至波導(dǎo)內(nèi)部，其頂部設(shè)置有第二阻抗邊界，該第二阻抗邊界為第一諧振聲腔提供聲學(xué)增益；環(huán)形耦合管，連接于第一諧振聲腔和第二諧振聲腔之間；其中，第一諧振器和第二耦合器旁支于波導(dǎo)的同一空間位置，第一諧振聲腔和第二諧振聲腔兩者的延伸方向與波導(dǎo)的延伸方向垂直。

5、本發(fā)明第二方面提供了一種高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法。本發(fā)明高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法包括：

6、步驟a，構(gòu)建高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)為如上的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第i諧振聲腔的長度為，直徑為，頸的長度為，直徑為，；兩諧振聲腔通過直徑為的環(huán)形耦合管連接；

7、在不考慮系統(tǒng)阻尼的情況下，計算該高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)t：

8、

9、其中，和分別為第一諧振聲腔和第二諧振聲腔的共振頻率；i和h分別為單位矩陣和高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)原型的哈密頓矩陣，為兩諧振器間的直接耦合系數(shù)；

10、步驟b，在不考慮系統(tǒng)阻尼的情況下，調(diào)整以下參數(shù)至少其中之一： d1、 l1、 l1， d2、 l2、 l2，進(jìn)而改變第一諧振聲腔的共振頻率和/或第二諧振聲腔的共振頻率，以使高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)滿足：

11、

12、其中，和分別為第一諧振聲腔和第二諧振聲腔的聲學(xué)損耗；和分別為第一諧振聲腔和第二諧振聲腔的輻射損耗；

13、步驟c，在考慮系統(tǒng)阻尼的情況下，在高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)中通過阻抗邊界引入增益，

14、第一阻抗邊界的阻抗為： z1= r1+i( x1)；

15、第二阻抗邊界的阻抗為： z2= r2+i( x2)；

16、則，該高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的透射譜表示為：

17、

18、其中，；

19、步驟d，在考慮阻尼的情況下，調(diào)整以下參數(shù)其中之一： r1、 x1、 r2、 x2，進(jìn)而改變第一諧振聲腔或第二諧振聲腔的系統(tǒng)參數(shù)-、、、，使得高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)在考慮系統(tǒng)阻尼的情況下滿足：

20、

21、從而實現(xiàn)高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

22、本發(fā)明第三方面提供了一種顆粒尺寸檢測傳感器。本發(fā)明顆粒尺寸檢測傳感器包括：如上的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)；其中，通過高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)的變化檢測通過波導(dǎo)粒子的尺寸，系統(tǒng)參數(shù)包括：、、、；其中，和分別為第一、第二諧振聲腔的共振頻率；和分別為第一、第二諧振聲腔的輻射損耗。

23、三、有益效果

24、從上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)至少具有以下有益效果之一：

25、1.?本發(fā)明中，兩個模態(tài)分別由兩個諧振聲腔的幾何結(jié)構(gòu)決定，即改變一個諧振聲腔的參數(shù)不會影響另一個諧振模態(tài)的耦合模參數(shù)，這也是本發(fā)明不同于現(xiàn)有基于fw型bic實現(xiàn)高q器件的創(chuàng)新點之一，這樣的設(shè)計有助于將幾何尺寸調(diào)節(jié)到bic模態(tài)。

26、2.?基于連續(xù)域束縛態(tài)的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計優(yōu)化方法，通過阻抗邊界的設(shè)置，為含阻尼系統(tǒng)引入增益，基于參數(shù)擬合以及能量分析證明了系統(tǒng)增益阻尼平衡，從而提出考慮實際阻尼環(huán)境的準(zhǔn)bic高品質(zhì)因子諧振系統(tǒng)。增益輔助和具有準(zhǔn)bic模式的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)極高的質(zhì)量因子，為聲學(xué)傳感和檢測設(shè)備提供了應(yīng)用前景。

27、3.?提出了基于揚(yáng)聲器的阻抗邊界，成本較低，易于實現(xiàn)，并且可以通過分流電路或者負(fù)反饋電路方便地進(jìn)行各參數(shù)的調(diào)節(jié)，極大地方便了仿真和擬合。

28、4.?聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法從不考慮系統(tǒng)阻尼的情況進(jìn)行優(yōu)化，而后再考慮系統(tǒng)阻尼，并用阻抗邊界提供增益來對系統(tǒng)阻尼進(jìn)行消除，簡化了優(yōu)化步驟，提高了優(yōu)化效率。

技術(shù)特征：

1.一種高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，滿足：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述分流電路包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，

7.一種高q聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

8.?根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟d包括：

10.一種顆粒尺寸檢測傳感器，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及聲學(xué)測量及探測設(shè)備；互聯(lián)網(wǎng)與云計算產(chǎn)業(yè)中工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知等領(lǐng)域，尤其涉及一種高Q聲學(xué)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計優(yōu)化方法、顆粒尺寸檢測傳感器。本發(fā)明高Q聲學(xué)結(jié)構(gòu)包括：波導(dǎo)；第一諧振器，旁支于波導(dǎo)的外側(cè)，其內(nèi)部的第一諧振聲腔通過第一中空頸部連接至波導(dǎo)內(nèi)部，其頂部設(shè)置有第一阻抗邊界；第二諧振器，旁支于波導(dǎo)的外側(cè)，其內(nèi)部的第二諧振聲腔通過第二中空頸部連接至波導(dǎo)內(nèi)部，其頂部設(shè)置有第二阻抗邊界；環(huán)形耦合管，連接于第一諧振聲腔和第二諧振聲腔之間。本發(fā)明中，兩個模態(tài)分別由兩個諧振聲腔的幾何結(jié)構(gòu)決定，這樣的設(shè)計有助于將幾何尺寸調(diào)節(jié)到BIC模態(tài)。

技術(shù)研發(fā)人員：周蕭明,張磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21