CN105023565A - 一种复合波导结构宽带单向消声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种复合波导结构宽带单向消声器，由上下壁为固定周期的矩形凹凸结构和为平板的前后壁组成了长方体波导；上下壁左右两侧凹凸结构尺寸由色散曲线给出，将波导左右两侧不同功能的波导称为波导1和波导2；上下壁的凹凸结构是在所选的平板材料上根据尺寸可用数控车床做出，刻完波导1的周期接着刻波导2的凹凸结构，两个波导的组合实现声波的单向导通是当声波入射时，波导2为基模的布拉格共振产生频域禁带，波导1中发生横向驻波模式的相互作用，产生单一的高阶模式，波导2产生的禁带对高阶模式没有影响，高阶模式可以透过。本发明消声比高、结构简单、适应性强、成本低易于实现。

Description

一种复合波导结构宽带单向消声器

技术领域

本发明涉及声波单向传输控制技术领域，特别涉及一种复合波导结构宽带单向消声器。

背景技术

声波，在日常生活中无处不在，它和光波一样是常见的能量载体。声波是人们交流传递信息的重要手段之一，而且在一些领域如水声通信、气象雷达、医学B超等方面，声学更是有着无可替代的作用，因此对声波的调控具有十分重要的科学意义。

通过对声波导结构以及组成材料进行选择，实现声波的单向导通功能具有很高的应用价值。近十几年来，在周期结构中的波动问题成为了热点问题，自然界中的许多晶体都为周期结构，而通过人工合成也可以制造。在这种周期结构中存在的频率禁带引起了人们的关注，即一些频率的波可以传播而其他频率的波则不能传播。

在1983年，Bostrom在Wave Motion上发表文章(Acoustic waves in a cylindrical duct withperiodically varying cross section)，用NF(null-field)方法研究了在截面周期变化柱状波导中的两个较低模式的禁带。

在1997年，Bradley在发表的论文(Time harmonic acoustic Bloch wave propagation inperiodic waveguides)中详细讨论了周期声波导中的线性耗散波的传播问题。

Hong-xiang Sun等人在Applied Physics Letters上发表的文章(A tunable acoustic diodemade by a metal plate with periodical structure)研究了一种可调谐的声学二极管，通过把金属板的单面设计为一些复杂的周期结构来实现声波的单向导通，通过对这些结构尺寸的改变可以改变频带。

近年来，对声波进行调控的问题成为了热点，人们对声波的调控方法进行了多种多样的尝试。

2013年，卢明辉等人在申请的专利(一种基于含时调制的声二极管,CN103592019A)中描述了一种基于含时调制的声二极管，由声波导管中存在的可由电机带动旋转的椭圆柱和位于声波导管尾部的滤波器组成。正向入射的声波经过旋转的椭圆柱频率发生跃迁，可以通过滤波器，而反向入射的声波则被滤波器直接过滤掉，这样就实现了声波的单向导通功能。

值得注意的是，在2011年，南京大学声学研究所的梁彬等人在专利(一种声二级管以及检测声二级管的系统，CN102175300A)中提出了一种声二级管以及检测声二级管的系统，该系统由管壳的一段设有层状超晶格结构的媒质和余下的一段设有强声学非线性的含气泡材料的媒质组成，在二极管的两侧设置有多频超高速换能器，在驱动电路的控制下实现对声二级管的检测。

而基于布拉格共振和非布拉格共振的声波调制的研究也在逐渐展开，2008年，陶智勇教授等人研究了在周期结构中共振产生的禁带问题，在周期结构中的禁带常常被认为是由布拉格共振产生的，近几年的研究发现非布拉格共振产生的禁带也存在于周期波导结构中(Resonance-induced band gaps in a periodic waveguide，Journal of Sound and Vibration，313(2008))。布拉格共振和非布拉格共振导致的频带的分裂和频域禁带具有很重要的理论价值，在工程领域和相关声学器件的制造方面有着潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中对声波单向整流的问题，提出一种对声波的入射角度和强度不敏感，稳定性好，结构简单，易于实现的复合波导结构宽带单向消声器。

本发明的目的是这样实现的：

由上下壁为固定周期的矩形凹凸结构和为平板的前后壁组成了长方体波导；上下壁左右两侧凹凸结构尺寸不同实现不同的声导通，其尺寸由色散曲线给出，将波导左右两侧不同功能的波导称为波导1和波导2；所述的上下壁的凹凸结构是在所选的平板材料上根据尺寸可用数控车床做出，刻完波导1的周期接着刻波导2的凹凸结构，波导1和波导2的周期个数在10到15之间，波导1和波导2的凹凸的长度与空气层厚度有关，凸出的长度与空气层厚度的比值在0.1到0.3之间；比值的变化会改变带宽，比值越大，带宽越大，相反的是带宽减小；两个波导的组合实现声波的单向导通是当声波入射时，波导2为基模的布拉格共振产生频域禁带，波导1中发生横向驻波模式的相互作用，产生单一的高阶模式，波导2产生的禁带对高阶模式没有影响，高阶模式可以透过。

所述的复合波导结构的波导1和波导2的结构参数由色散曲线得到：

$f_r^p=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{k_r^{\left(p\right)}}{L/2}\right)}^2+{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}})}^2}$

其中，c为声速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，p的取值为1,2,3….。L是周期结构波导的空气层厚度，Λ是起伏结构的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3….；波导1的参数由不同模式之间的共振条件给出的，即p＝1基模和p＝2一阶模；波导2的参数由相同模式，p＝1，即基模间的共振条件给出的，周期长度Λ和中心频率f有关，每个周期的起伏宽度相同为周期长度Λ的一半；基模到高阶模的转换是当高阶模式的截止频率等于低阶模式的共振频率时，不同横向模式间产生共振相互作用，使得基模被抑制，而单一高阶模能够产生并传播。

所述的波导材料为刚性材料，消声器结构的内部为空气。

所述的长方体波导上下壁的的厚度范围是3毫米到20毫米，前后壁厚度为5毫米；

所述的入射声波的频段在可听声段，且入射波可以从不同方向以不同强度入射。

所述的单向导通频段确定管壁周期的大小，长方体波导上下壁周期越大，越能束缚高频的声波，单向导通频带越向低频移动；长方体波导上下壁周期越小，高频的声波越容易通过，单向导通频带越向高频移动。

本发明方法的优点在于：

1.结构简单、成本低易于加工安装。

2.消声比高、适应性强。

3.反射带宽大，而且可以通过管上下壁的凹凸起伏来控制。

4.长方体波导上下壁材料多样，可根据实际条件选择。

5.在很多地方有潜在的应用，如潜艇外壳结构的工艺设计，提高潜艇的隐蔽性；在大型建筑中墙壁的结构设计。

附图说明

图1是本发明的单向消声器加工示意图；

图2是本发明的波导1结构设计示意图；

图3本发明波导1产生的高阶模示意图；

图4本发明的波导2结构设计示意图；

图5本发明波导2对声波的衰减作用图；

图6是本发明单向消声器的特性图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1，此单向消声器结构为长方体，长方体上下壁为固定周期的矩形凹凸结构，前后壁为起固定作用的平板，上下壁左右两侧凹凸结构尺寸不同实现不同的声导通功能。长方体的波导材料为刚性材料，声阻抗远大于空气。波导1为10个周期，每个周期长度100mm，波导2有15个周期，每个周期长度46mm。所述周期结构参数可由色散曲线给出：(c为声速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，p的取值为1.2.3….。L是周期结构波导的空气层厚度，Λ是起伏结构的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3….)。当传播常数β等于0时，p阶模式的的共振频率为p+1阶模式的截止频率为设定波导的频率可以求出波导1的周期Λ，因为当当高阶模式的截止频率等于低阶模式的共振频率时，不同横向模式间产生共振相互作用，使得基模被抑制，而单一高阶模能够产生并传播，实现从基模到高阶模的转换。当声波从波导1入射时，在波导中发生p阶及p+1阶横向模式之间的相互作用，输出单一的高阶模式；对于波导2，为相同横向模式之间的相互作用产生频域禁带，基模的布拉格共振取n＝0，-1及n＝0,1，这样可求得波导2的周期Λ。

本发明通过波导之间的有效组合，实现了类似二极管的功能，它的入射声波的频段在可听声段。入射波可以从不同方向以不同强度入射。

通过对波导内部上下壁凹凸结构尺寸的改变可以用来实现对声波单向导通频带范围的调控。研究表明，起伏越大带宽越宽。

根据需要单向导通的频段来确定长方体波导上下壁周期的大小，长方体波导上下壁周期越大，越能束缚高频的声波，单向导通频带越向低频移动；同样的，周期越小，高频的声波越容易通过，所以单向导通频带越向高频移动。

结合图2，波导1的周期为Λ₁，A₁为上下壁的厚度，B₁为上下壁周期结构凸起的厚度，L₁为波导1空气层厚度。具体参数为：Λ₁＝100mm，A₁＝7.5mm，B₁＝5mm，L₁＝50mm。L₁为波导1空气层厚度

结合图3，可以明显看到在波导1中产生了高阶模式。

结合图4，它与波导1结构类似，但尺寸不同，它的周期为Λ₂，A₂为上下壁厚度，B₂为上下壁周期结构凸起的厚度,L₂为波导2空气层厚度。具体参数为：Λ₂＝46mm，A₂＝10mm，B₂＝5mm，L₂＝40mm。实验所使用材料为不锈钢。

结合图5，可以看出经过波导2，声波有明显的衰减。

结合图6，可以看到声波从正向和反向入射透射出的能量比值，即消声比，曲线D1为正向入射，曲线D2为反向入射，最高消声比可达一万倍，很好的实现了单向导通的功能。而且从图中可以的看到，频带从3450Hz到3750Hz，高效的宽带单向声导通得到了很好的体现。

综上所述，本发明基于布拉格及非布拉格共振作用机理，提出了一种复合波导结构宽带单向消声器，实现了声波的单向导通功能。它的结构简单，易于加工安装，频带宽度可达几百Hz。上述的具体实施的结构参数知识为了更好的说明该发明，根据应用场景的不同，可对结构尺寸以及材料进行设计，满足需要场合的各种条件。本发明的保护范围并不以上述实施参数为限，但凡根据本发明所提出内容所做的参数细调或等效修饰，皆在权利要求书记载的保护范围之类。

Claims (6)

1.一种复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：由上下壁为固定周期的矩形凹凸结构和为平板的前后壁组成了长方体波导；上下壁左右两侧凹凸结构尺寸由色散曲线给出，将波导左右两侧不同功能的波导称为波导1和波导2；所述的上下壁的凹凸结构是在所选的平板材料上根据尺寸可用数控车床做出，刻完波导1的周期接着刻波导2的凹凸结构，波导1和波导2的周期个数在10到15之间，波导1和波导2的凹凸的长度与空气层厚度有关，凸出的长度与空气层厚度的比值在0.1到0.3之间；两个波导的组合实现声波的单向导通是当声波入射时，波导2为基模的布拉格共振产生频域禁带，波导1中发生横向驻波模式的相互作用，产生单一的高阶模式，波导2产生的禁带对高阶模式没有影响，高阶模式可以透过。

2.根据权利要求1所述的复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：所述的复合波导结构的波导1和波导2的结构参数由色散曲线得到：

$f_r^p=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{k_r^{\left(p\right)}}{L/2}\right)}^2+{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{A})}^2}$

其中，c为声速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，p的取值为1,2,3....，L是周期结构波导的空气层厚度，Λ是起伏结构的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3....；波导1的参数由不同模式之间的共振条件给出的，即p＝1基模和p＝2一阶模；波导2的参数由相同模式，p＝1，即基模间的共振条件给出的，周期长度Λ和中心频率f有关，每个周期的起伏宽度相同为周期长度Λ的一半；基模到高阶模的转换是当高阶模式的截止频率等于低阶模式的共振频率时，不同横向模式间产生共振相互作用，使得基模被抑制，而单一高阶模能够产生并传播。

3.根据权利要求1所述的复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：所述的波导材料为刚性材料，消声器结构的内部为空气。

4.根据权利要求1所述的复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：所述的长方体波导上下壁的的厚度范围是3毫米到20毫米，前后壁厚度为5毫米。

5.根据权利要求1所述的复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：所述的入射声波的频段在可听声段，且入射波可以从不同方向以不同强度入射。

6.根据权利要求1所述的复合波导结构宽带单向消声器，其特征是：所述的单向导通频段确定管壁周期的大小，长方体波导上下壁周期越大，越能束缚高频的声波，单向导通频带越向低频移动；长方体波导上下壁周期越小，高频的声波越容易通过，单向导通频带越向高频移动。