[发明专利]一种测量声场局域态密度的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量声场局域态密度的装置及方法，测量装置包括声源、方形波导、MEMS硅麦克风以及声学矢量传感器；所述方形波导一端连接声源，另一端嵌入有与其内壁贴合的MEMS硅麦克风和声学矢量传感器。通过测量波导端面的质点振速，便能够得到由波导进入到被测结构的体积流率，结合MEMS硅麦克风得到的声压便可计算出被测结构的局域态密度。本发明利用矢量探测技术克服了无法精确测量狭窄区域内声源体积流率的难题，实现了声场局域态密度的实验测量，能够应用于声学结构材料的表征，并为声学辐射结构的设计提供指导。

技术领域

本发明涉及一种测量局域态密度的装置及方法，具体涉及一种测量声场局域态密度的装置及方法。

背景技术

态密度(DOS)是指单位体积单位频率范围内的模式的数目，即单位体积内能量介于E～E+△E之间的态数目与能量差△E的比值，其表征了在某一能量范围态的密集程度。态密度在空间上的分布往往是不均匀的，为了描述这种态密度在实空间的非均匀分布情况，就需要引入局域态密度(LDOS)的概念。局域态密度定义为特定空间点处单位频率范围内的模式的数目。相比于态密度，局域态密度提供了更多的细节信息，能够在一定程度上反映本征态的空间分布。

局域态密度是一个重要物理量，在辐射速率调控、材料性能表征、波与物质相互作用等研究中扮演着重要角色。在微纳光子学领域，光子局域态密度调控一直是热门的研究方向，各类纳米光子学结构被提出用于实现局域态密度增强，在单光子源、纳米激光器、光与物质的强相互作用等方面发挥了重要应用。在声学领域，2018年密西西比大学MaryamLandi等利用空间折叠结构构造的声学米氏共振腔发现声源辐射速率正比于声场局域态密度，揭示出了声辐射效率的增强来源于声源处局域态密度的提高。虽然声学人工微结构材料在近些年取得了很大的进展，但是关于声学局域态密度的研究相对较少，并且仍缺乏直接测量声场局域态密度的实验手段。

声场的局域态密度与格林函数直接相联系，要表征局域态密度需要同时知道声源的强度信息以及声源处的声压信息，目前在实验上仍具有一定难度。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种能准确测量声场局域态密度的装置；本发明的另一目的在于提供一种利用所述装置进行测量声场局域态密度的方法。

技术方案：本发明所述的测量声场局域态密度的装置，包括声源、方形波导、MEMS硅麦克风以及声学矢量传感器；所述方形波导一端连接声源，另一端嵌入有与其内壁贴合的MEMS硅麦克风和声学矢量传感器，通过MEMS硅麦克风和声学矢量传感器分别得到方形波导处的声压和声质点振速，从而得到被测结构在声源激发频率下的局域态密度。

进一步地，所述声源和声矢量传感器的尺寸以及方形波导的截面尺寸小于波长十分之一。

进一步地，所述声源由动铁单元构成。

进一步地，所述MEMS硅麦克风的进声孔和声学矢量传感器的热线与方形波导的内壁齐平。

利用所述装置进行测量声场局域态密度的方法，包括以下步骤：

(1)将被测结构开一个方孔，使该被测结构通过方孔与方形波导的一端相连，声波由导管进入到被测结构中；

(2)选取被测结构共振频率附近的一组频率作为声源的激励；

(3)将方形波导插入被测结构中，由MEMS硅麦克风和声学矢量传感器分别得到方形波导端面处的声压与声质点振速；

(4)由格林函数的虚部计算出声源附近的局域态密度：其中ω为声源的激发角频率，和分别为探测位置和声源位置，(c₀为声速)，而声源处格林函数由声源的强度和该点的声压所决定：其中p_s代表源处的声压，ρ_air为空气密度，u_s和S_s分别为声源的表面振速和表面积；由步骤(3)所述的声压与声质点振速，得到波导端面处被测结构在相应频率下的局域态密度：