(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911236138.0
(22)申请日 2019.12.05
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区清华园1号清华
大学
(72)发明人 施汇斌 杜智博 柳占立 庄茁
(74)专利代理机构 北京润泽恒知识产权代理有
限公司 11319
代理人 苏培华
(51)Int.Cl.
G10K 11/162(2006.01)
(54)发明名称
料及其应用装置
(57)摘要
本申请提供了基于机器学习的局域共振型
用于解决现有技术中不能实现针对不同频段声
波信号的主动调控，从而很难实现宽频范围的声
波调控的问题。所述声学超材料包括：可调节长
心管采用钢制材料，通过微型电机控制其长度以
调节谐振频率，所述空心球采用形状记忆合金制
成，放置在环氧树脂制成的格栅结构上，通过温
度来控制空心球开口大小以调节谐振频率。利用
软件模拟使得机器学习程序学习得到针对不同
到针对特定宽频声波(2000-5000Hz)的主动调控
及防护。权利要求书2页 说明书8页 附图3页CN 111105771 A 2020.05.05
C N 111105771
A
1.基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，其特征在于，包括：
微型电机；可调节长度的空心管超材料；格栅结构；可调节开口大小的空心球超材料；产生特定热场的电阻丝；其中，所述可调节长度的空心管超材料由外层可移动的子管和内层固定的母管构成，所述格栅结构包括多个格栅；
所述可调节长度的空心管超材料与所述微型电机固定连接，由微型电机调控所述子管的移动距离，从而调控所述子管与所述母管的叠加长度；
所述可调节开口大小的空心球超材料放置在所述格栅结构中，单个所述格栅四周布置一定数量的所述产生特定热场的电阻丝，由所述产生特定热场的电阻丝调控所述空心球超材料的开口大小；
其中，多个单根所述空心管超材料依次排列成层状结构的单层空心管超材料，多个单颗所述空心球超材料放置在格栅结构中，构成单层空心球超材料；单层空心管超材料和单层空心球超材料交替间隔排列；
所述声学超材料，是根据经过模拟计算训练的机器学习程序得到宽频声波对应的各个所述微型电机的电机驱动参数和所述电阻丝的调控参数，通过所述微型电机的电机驱动参数调控所述空心管超材料的长度，通过所述产生特定热场的电阻丝的调控参数调控所述空心球超材料的开口大小。
2.根据权利要求1所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，其特征在于，所述空心管超材料由钢制材料制成；所述空心球超材料是由形状记忆合金制成；所述格栅结构是由环氧树脂制成。
3.根据权利要求1所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，其特征在于，单个所述空心球超材料通过四根弹簧与单个所述格栅相连。
4.根据权利要求1所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，其特征在于，每一个所述长度和每一个开口大小都对应一个单独的谐振频率；
不同所述长度的所处空心管超材料和不同开口大小的所述空心球超材料同时作用，实现宽频谐振，所述谐振包括谐振频率重叠和谐振频率不重叠；
若所述空心管超材料的谐振频率和所述空心球超材料的谐振频率重叠，则同时出现负等效质量密度、负等效模量的双负情况，使得声波向内折射，形成声波聚焦；
若所述空心管超材料的谐振频率和所述空心球超材料的谐振频率不重叠，则出现所述空心管超材料实现负等效质量密度或所述空心球超材料实现负等效模量的单负情况，使得大部分声波无法透射过所述声学超材料，实现声波防护。
5.根据权利要求1所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，其特征在于，所述单层空心管和所述单层空心球中心的间隔为在所述空心管的半径和空心球的半径的和上加2-5mm。
6.基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，其特征在于，所述装置包括：
声学感应麦克风，用于接收声源信号，并将声源信号传送至计算机处理系统；
如权利要求1-5任一所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，用于实现声源声波信号的调控；
计算机处理系统，用于训练机器学习程序，并接收和处理由声学感应麦克风传递的声
源声波，得到所述声波声源对应的频段信息，并将由所述频段信息得到的电机驱动参数和电阻丝调控参数传输到电路控制器和温度控制器；
电路控制器，用于接收所述电机驱动参数，并依据所述电机驱动参数控制所述微型电机；
温度控制器，用于接收所述电阻丝调控参数，并依据所述电阻丝调控参数控制所述产生特定热场的电阻丝。
7.根据权利要求6所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，其特征在于，所述材料应用于声学防护，所述装置还包括：
接收经过所述声学超材料之后的声波的声学感应麦克风，用于接收并检测经过如权利要求1-5任一所述声学超材料的声波信号，检测所述声波信号的强弱。
8.根据权利要求6所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，其特征在于，所述材料应用于声学聚焦，所述装置还包括：
特定焦点位置的装置，用于监测经过如权利要求1-5任一所述声学超材料的声波的声波焦点的位置是否与所述特定焦点位置相匹配。
9.根据权利要求6所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，其特征在于，所述计算机处理系统还包括：
机器学习程序，用于接收从2000-5000Hz扫频以及2000-5000Hz中频率随机组合的频率作为仿真数据的训练，所述训练包括用于所述声学防护的所述单负情况的单声学参数训练和用于所述声学聚焦的所述双负情况的双声学参数训练。
基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料及其应用装置
技术领域
[0001]本申请涉及功能材料领域，特别是涉及基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料及其应用装置。
背景技术
[0002]目前，声学超材料的种类大致分为两种，局域共振型和卷曲空间型。无论是局域共振和卷曲空间，现有的声学超材料大多只能对应特定的特征频率实现负等效质量密度或负等效弹性模量，不能实现针对不同频段信号的主动调控，故很难实现宽频范围的声波调控。
发明内容
[0003]本申请实施例提供基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料及其应用装置，本发明设计的声学超材料应用的声波频率范围大约是(2000Hz-5000Hz)，解决现有技术中很难主动对宽频范围的声波进行调控及防护的问题。
[0004]本发明的声学超材料是指以常规材料或智能材料制作而成的结构，把结构整体等效为一种材料，该材料会使得结构的等效质量密度、等效模量等力学特性出现自然界不能出现的负值，从而实现负折射率等特殊现象；进一步地，本发明的声学超材料也可以理解为一种声波处理系统，通过声波处理系统，可以改变声波的传播方向，从而降低声波信号的强度，实现声学防护，也可以通过实现负的折射率，改变声波传播方向，从而实现声波聚焦。[0005]为了解决上述问题，本申请提供了基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，包括：
[0006]微型电机；可调节长度的空心管超材料；格栅结构；可调节开口大小的空心球超材料；产生特定热场的电阻丝；其中，所述可调节长度的空心管超材料由外层可移动的子管和内层固定的母管构成，
所述格栅结构包括多个格栅；
[0007]所述可调节长度的空心管超材料与所述微型电机固定连接，由微型电机调控所述子管的移动距离，从而调控所述子管与所述母管的叠加长度；
[0008]所述可调节开口大小的空心球超材料放置在所述格栅结构中，单个所述格栅四周布置一定数量的所述产生特定热场的电阻丝，由所述产生特定热场的电阻丝调控所述空心球超材料的开口大小；
[0009]其中，多个单根所述空心管超材料依次排列成层状结构的单层空心管超材料，多个单颗所述空心球超材料放置在格栅结构中，构成单层空心球超材料；单层空心管超材料和单层空心球超材料交替间隔排列；
[0010]所述声学超材料，是根据经过模拟计算训练的机器学习程序得到宽频声波对应的各个所述微型电机的电机驱动参数和所述电阻丝的调控参数，通过所述微型电机的电机驱动参数调控所述空心管超材料的长度，通过所述产生特定热场的电阻丝的调控参数调控所述空心球超材料的开口大小。
[0011]注意，其中，每个所述子管对应一个所述微型电机，每个所述微型电机对应的电机
驱动参数值都相对独立存在，参数值可以相同也可以不同，即每个微型电机要驱动子管得到不同长度；每个空心球周围的电阻丝都有一个与之对应的调节该空心球开口大小的电阻丝调控参数，并且每
个调控参数相互独立，可以相同也可以不同。
[0012]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，所述空心管超材料由钢制材料制成；所述空心球超材料是由形状记忆合金制成；所述格栅结构是由环氧树脂制成。
[0013]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，单个所述空心球超材料通过四根弹簧与单个所述格栅相连。
[0014]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，每一个所述长度和每一个开口大小都对应一个单独的谐振频率；
[0015]不同所述长度的所处空心管超材料和不同开口大小的所述空心球超材料同时作用，实现宽频谐振，所述谐振包括谐振频率重叠和谐振频率不重叠；
[0016]若所述空心管超材料的谐振频率和所述空心球超材料的谐振频率重叠，则同时出现负等效质量密度、负等效模量的双负情况，使得声波向内折射，形成声波聚焦。
[0017]若所述空心管超材料的谐振频率和所述空心球超材料的谐振频率不重叠，则出现所述空心管超材料实现负等效质量密度或所述空心球超材料实现负等效模量的单负情况，使得大部分声波无法透射过所述声学超材料，实现声波防护。
[0018]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，所述单层空心管和所述单层空心球中心的间隔为在所述空心管的半径和空心球的半径的和上加2-5mm。[0019]为更好理解本申请提供的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，本申请还提供了基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，所述装置包括：
[0020]声学感应麦克风，用于接收声源信号，并将声源信号传送至计算机处理系统；[0021]基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料，用于实现声源声波信号的调控；[0022]计算机处理系统，用于训练机器学习程序，并接收和处理由声学感应麦克风传递的声源声波，得到所述声波声源对应的频段信息，并将由所述频段信息得到的电机驱动参数和电阻丝调控参数传输到电路控制器和温度控制器；
[0023]电路控制器，用于接收所述电机驱动参数，并依据所述电机驱动参数控制所述微型电机；
[0024]温度控制器，用于接收所述电阻丝调控参数，并依据所述电阻丝调控参数控制所述产生特定热场的电阻丝。
[0025]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，所述材料应用于声学防护，所述装置还包括：
[0026]接收经过所述声学超材料之后的声波的声学感应麦克风，用于接收并检测经过所述声学超材料的声波信号，检测所述声波信号的强弱。
[0027]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，所述材料应用于声学聚焦，所述装置还包括：
[0028]特定焦点位置的装置，用于监测经过所述声学超材料的声波的声波焦点的位置是否与所述特定焦点位置相匹配。
[0029]优选地，所述的基于机器学习的局域共振型宽频声学超材料的应用装置，所述计
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