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基于螺旋形超材料的宽带心肺音听诊器件

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圆柱管听诊器具有结构简单、价格低廉、适用范围广等优势,但其尺寸通常较大,且工作频带难以覆盖心肺音频率范围.本文基于螺旋形超材料提出了一种圆柱形的心肺音听诊器件的设计理论,其尺寸可满足便携性要求(长度约1/5波长),且工作频带能有效覆盖典型心肺音频率范围(20～1000Hz).所设计器件的基本工作原理是利用内置的螺旋形超材料增加声波的传播路径长度,使不同频率下的等效声折射率均得到显著提升,从而在有效缩减结构尺寸的同时保持极宽的工作频带.基于等效媒质理论,对该结构中的声传播过程进行了理论分析,研究了其等效声学参数及灵敏度增益在不同频率下的变化特性,并通过有限元方法进行了验证.理论和仿真结果能够很好吻合,证明所设计的心肺音听诊器在20～1000Hz的宽频带内产生了平均10dB的灵敏度提升.基于此,进一步分析了热黏滞损耗和结构参数变化对该器件的灵敏度和工作带宽的影响规律.最后,制备了心肺音听诊器样品并对其声学性能进行了实验测量,结果表明心肺音听诊器相比于圆柱管听诊器在20～1000Hz全频带具有更高的灵敏度,在330～820Hz频段的平均增益能够达到10dB.本研究所设计的心肺音听诊器件具有灵敏度高、工作带宽大、设计简单、结构强度高、材质选择自由、鲁棒性等特性,为心肺音听诊器件的设计提供了新的思路,在医学临床诊断和声学传感等领域具有广泛的应用前景.
A helical metamaterial-based auscultation device for broadband cardiopulmonary sound detection

helical metamaterialbroadband sensingcardiopulmonary auscultationhigh sensitivity

陈政吉、刘京京、梁彬、杨京、程建春

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南京大学物理学院,近代声学教育部重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093

螺旋形超材料 宽带传感 心肺音听诊 高灵敏度

国家重点研发计划国家重点研发计划国家自然科学基金国家自然科学基金

2022YFA14044022017YFA03037001163400612174190

2023

10.1360/TB-2023-0305

科学通报
中国科学院国家自然科学基金委员会

科学通报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子：1.269
ISSN：0023-074X
年,卷(期)：2023.68(26)
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