CN104795061A - 宽带单向传声通道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带单向传声通道，包括平行设置的上表面和下表面，上表面上安装有形状为等腰直角三角形的第一反射体，下表面上安装有形状为等腰直角三角形的第二反射体，第一反射体和第二反射体的直角边分别位于上表面和下表面上，并且第一反射体和第二反射体的斜边的延长线相交，上表面和下表面上分别设有声学超表面。本发明简单地利用了第一反射体和第二反射体的反射路径，但巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上正向入射的声波束完全通过结构，而反向入射的声波束完全反射，最终实现高效率的单向传播；而且通过在第一反射体和第二反射体之间形成无阻塞通道，允许流体或者大物体从无阻塞通道通过。

Description

宽带单向传声通道

技术领域

本发明涉及一种宽带单向传声通道，属于声学器件领域。

背景技术

传统的单向传声设备，如“声学二极管”，可以利用非对称的声操纵效应，实现声波只能单向传播(即正向传播，而反向截止)。这种概念性的设备在噪声控制和超声治疗领域有潜在应用。比如超声治疗中防止反射声波对设备的干扰和人体的危害，或者在特殊噪声控制场合，可以保证发出的声音传出，而外界的噪声无法传入。

例如一种声二极管及检测声二极管的系统(专利号：201110028240.9)利用声子晶体的能带特性产生滤波作用，巧妙的破坏了系统的对称性，首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应。但是由于没有无阻塞通道，阻挡了流体或者大的物体通过。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带单向传声通道，通过在第一反射体和第二反射体之间形成无阻塞通道，实现声波只能单向传播的同时允许流体或者大物体从无阻塞通道通过。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种宽带单向传声通道，包括平行设置的上表面和下表面，上表面上安装有形状为等腰直角三角形的第一反射体，下表面上安装有形状为等腰直角三角形的第二反射体，第一反射体和第二反射体的直角边分别位于上表面和下表面上，并且第一反射体和第二反射体的斜边的延长线相交，上表面和下表面上分别设有声学超表面。

作为优选，所述声学超表面包含若干个等距离排列的声学周期单元，声学周期单元包含八个不同高度、截面相同的矩形凸台，最矮的矩形凸台的高度为零，相邻矩形凸台形成槽。

作为优选，所述槽的梯度为0.3535。

作为优选，所述声学周期单元中的矩形凸台的高度满足以下关系式：h_n＝h1+(n-1)*λ/16，其中，h₁＝0，h_n为第n个矩形凸台的高度，λ为中心频率f₀对应的波长。

作为优选，所述矩形凸台的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍。

作为优选，所述矩形凸台的材料为金属或有机塑料。

作为优选，所述槽的宽度至少为矩形凸台的厚度的三倍。

有益效果：本发明的宽带单向传声通道，简单地利用了第一反射体和第二反射体的反射路径，但巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上正向入射的声波束完全通过结构，而反向入射的声波束完全反射，最终实现高效率的单向传播；而且通过在第一反射体和第二反射体之间形成无阻塞通道，无阻塞通道如图2所示，宽度D需大于三倍声波波长，可以更具实际需要调整，实现了声波只能单向传播的同时允许流体或者大物体从无阻塞通道通过。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为图1中声学超表面的结构示意图；

图4为图3中声学周期单元的结构示意图；

图5为正向实验的声场强度；

图6为正向模拟实验的声场强度；

图7为反向实验的声场强度；

图8为反向模拟实验的声场强度；

图9为声波与能量传播效率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种宽带单向传声通道，包括平行设置的上表面4和下表面5，上表面4上安装有形状为等腰直角三角形的第一反射体1，下表面5上安装有形状为等腰直角三角形的第二反射体2，第一反射体1和第二反射体2的直角边分别位于上表面4和下表面5上，并且第一反射体1和第二反射体2的斜边的延长线相交，上表面4和下表面5上分别设有声学超表面3。

在本发明中，所述声学超表面3包含若干个等距离排列的声学周期单元，声学周期单元包含八个不同高度、截面相同的矩形凸台，最矮的矩形凸台的高度为零，相邻矩形凸台形成槽，所述槽的深度变化梯度为0.3535。所述声学周期单元中的矩形凸台的高度满足以下关系式：h_n＝h₁+(n-1)*λ/16，其中，h₁＝0，h_n为第n个矩形凸台的高度，λ为中心频率f₀对应的波长。所述矩形凸台的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍，所述矩形凸台的材料为金属或有机塑料，所述槽的宽度至少为矩形凸台的厚度的三倍。

如图2所示，在一个波导结构中，在空间上下左右四个位置放置第一反射体1、第二反射体2和声学超表面3，形成一个四体结构。反射体在xy平面为等腰直角三角形。当声波垂直入射声学超表面3时，产生异常反射。这里的声学超表面3设计为垂直入射情况下，产生异常反射。因此，从左侧和右侧入射的声波会经历不同的反射路径，左边入射的声波(箭头C)被反射体的壁反射，原路返回(称为反向截止)。右边入射的声波分为上下两束(箭头A和B)，经过反射体和声学超表面3的多次反射，最终可以传播到左边(称为正向传播)。

这个机制虽然只是简单地利用了反射路径，但巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上正向入射的声波束完全通过结构，而反向入射的声波束完全反射，最终实现高效率的单向传播。若只是用普通的反射体，几何上很难实现。

如图3和图4所示，声学超表面3由6个声学周期单元组成。声学周期单元由8个不同深度的槽组成(包括一个深度为0的)，利用声波在槽中传播产生相位延迟，实现表面相位的梯度变化。槽的深度分别为0，λ/16，2λ/16，，，7λ/16，其中，λ为中心频率f₀对应的波长。根据广义反射定律的概念，异常反射角度为:

${\mathrm{\θ}}_r=\arcsin [\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dx}}]$

其中θ_r为异常反射角，θ_i为入射角，为相位的变化率。可以得到异常反射角度θ_r与槽深度变化的梯度g(x)的关系为:

θ_r＝arcsin[sin(θ_i)+2g(x)]

因此，为实现垂直入射下45°反射，槽的梯度应为常数g＝sin45°/2＝0.3535。其中，槽的宽度m至少为槽壁厚的3倍。硬材料(可选金属，有机塑料等)的声阻抗应至少为背景媒质(如空气)声阻抗的100倍。

实施例：如图1和图2所示，第一反射体1和第二反射体2为边长为d的等腰直角三角形，而声学超表面3的宽度也为d，波导管的宽度为2d的正方形管，这样的几何参数为最完美情况，如图2箭头所示，左侧垂直入射的声波可以完全反射，而右侧入射的声波可以完全通过结构。

如图5至图8所示，显示了该实施例在中心频率f₀的正反向入射(右入射与左入射)的声场强度实验和模拟结果，正向传播和反向截止现象可以明显观察到。

图9显示了围绕中心频率f₀的一定带宽的能量传播效率T。图中显示，反向在各频率基本一致为0，正向传播效率最大值出现在中心频率f₀，而其他频率仍保持较高的效率，有效带宽(大于-3dB)为0.71f₀-1.3f₀，证明了该方法的宽带效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽带单向传声通道，其特征在于：包括平行设置的上表面和下表面，上表面上安装有形状为等腰直角三角形的第一反射体，下表面上安装有形状为等腰直角三角形的第二反射体，第一反射体和第二反射体的直角边分别位于上表面和下表面上，并且第一反射体和第二反射体的斜边的延长线相交，上表面和下表面上分别设有声学超表面。

2.根据权利要求1所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述声学超表面包含若干个等距离排列的声学周期单元，声学周期单元包含八个不同高度、截面相同的矩形凸台，最矮的矩形凸台的高度为零，相邻矩形凸台形成槽。

3.根据权利要求2所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述声学超表面中的槽的深度变化梯度为g＝sin45°/2＝0.3535。

4.根据权利要求3所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述声学周期单元中的矩形凸台的高度满足以下关系式：h_n＝h₁+(n-1)*λ/16，其中，h₁＝0，h_n为第n个矩形凸台的高度，λ为中心频率f₀对应的波长。

5.根据权利要求4所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述矩形凸台的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍。

6.根据权利要求5所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述矩形凸台的材料为金属或有机塑料。

7.根据权利要求6所述的宽带单向传声通道，其特征在于：所述槽的宽度至少为矩形凸台的厚度的三倍。