CN106356051A - 一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置 - Google Patents

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梁彬
朱凡
朱一凡
顾仲明
杨京
程建春
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
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Abstract

本发明公开了一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，包含圆形波导、n个直波导和n个超表面，n为大于等于3的正整数，n个直波导沿圆形波导圆心圆周均布，直波导与圆形波导连接，超表面位于圆形波导内，超表面沿圆形波导圆心圆周均布，当声波从直波导进入到圆形波导内时，遇到超表面发生偏转，从下一个直波导传出。本发明的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，通过在圆形波导内与直波导对应的设有超表面，声波从直波导进入到圆形波导内，声波遇到超表面发生偏转，从下一个直波导端口传出，实现声波的非对称的传播，由于系统完全依靠结构实现其功能，只需一种单一的固体材料就可以制备多端口声循环传播器件。

Description

一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置
技术领域
本发明涉及多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，属于声学器件领域。
背景技术
声学二极管和声学非对称传播在超声意料中有潜在应用。但传统的声学非对称传输均为2端口系统。在本发明中，我们首次提出了多端口的非对称声传播和循环传播，可能在复杂的声学网络操控领域有潜在应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，由于系统完全依靠结构实现其功能，只需一种单一的固体材料就可以制备多端口声循环传播器件。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，包含圆形波导、n个直波导和n个超表面，n为大于等于3的正整数，n个直波导沿圆形波导圆心圆周均布，直波导与圆形波导连接，超表面位于圆形波导内，超表面沿圆形波导圆心圆周均布，当声波从直波导进入到圆形波导内时，遇到超表面发生偏转，从下一个直波导传出。
作为优选，所述圆形波导的下表面延伸有凸台，在凸台上圆周均布超表面，所述超表面结构为槽形状结构，由平行的若干个槽组成，其中槽的深度梯度变化，槽的个数大于等于5个，槽序列的中间位置和直波导中心正对，槽序列的整体宽度为(1～1.2)直波导宽度D。
作为优选，所述槽的深度h是线性函数h＝gx，x为所述槽的左壁距离第一个槽的左壁的距离，g是梯度系数，取0.3-0.4
作为优选，所述圆形波导的宽度d<f/2c，f为工作频率，c为空气中声速，因此为单模式声学波导，只能传播0阶平面声波，直波导宽度D>f/2c，因此为双模式声学波导，可以传播0阶和1阶声波。
有益效果：本发明的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，通过在圆形波导内与直波导对应的设有超表面，声波从直波导进入到圆形波导内，声波遇到超表面发生偏转，从下一个直波导端口传出，实现声波的非对称的传播，由于系统完全依靠结构实现其功能，只需一种单一的固体材料就可以制备多端口声循环传播器件。
附图说明
图1为本发明的以三个端口的结构示意图。
图2为图1的俯视结构示意图。
图3为数值模拟结果。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，包含圆形波导3、三个直波导2和三个超表面4，三个直波导2尺寸完全一样，三个直波导2沿圆形波导3圆心圆周均布，直波导2与圆形波导3连通，超表面4位于圆形波导3内，超表面4沿圆形波导3圆心圆周均布，所述圆形波导3的下表面延伸有凸台1，在凸台1上圆周均布超表面4，所述超表面4结构为槽形状结构，其中槽的深度梯度变化，即深度是线性函数h＝gx，其中x为横向位置(以最左边槽位置为零点)，即x为所述槽的左壁距离第一个槽的左壁的距离，g是梯度系数，通常取0.3-0.4。槽的个数需要大于等于5个，槽序列的中间位置应基本和直波导中心正对，槽序列的整体宽度为直波导宽度(D-1.2D)，D为直波导两内壁之间的距离，制作时可以直接刻在凸台1上，例如图2中所示的超表面槽的分布函数为h＝0.38x，槽个数为7个，槽序列整体宽度为1.1D。如图2所示。圆形波导3和直波导2上下表面均封闭，当声波从直波导2进入到圆形波导3内时，遇到超表面4发生偏转，从下一个直波导2传出。
在发明中，所述圆形波导3的宽度d<f/2c，f为工作频率，c为空气中声速，因此为单模式声学波导，只能传播0阶平面声波，直波导2宽度D>f/2c，因此为双模式声学波导，可以传播0阶和1阶声波。
三个直波导2尺寸完全形同，之间的角度间隔均为120度，三个超表面4也完全形同，因此，系统具有旋转对称性(旋转120度仍为原结构)。图3显示了声波由第一端口直入射的情况，如箭头所示，当声波进入第一端口，遇到超表面4之后向右拐，在环形波导中传播，随后遇到超表面4，再向右拐，由第二端口传出。由于系统的旋转对称性，声波会形成P1-P2-P3-P1的逆时针循环传播，P1即为第一端口，即P1入射由P2射出，P2入射由P3射出，P3入射由P1射出。这种情况下，任意两个端口之间的传播是非对称的。比如P1传到P2的能量较大，而P2传到P1的能量几乎为0。注意到图3中声波入射时为0阶模式，出射为1阶模式，这种模式转换是由线性系统中互易原则决定的。
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 (4)

1.一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，其特征在于：包含圆形波导、n个直波导和n个超表面，n为大于等于3的正整数，n个直波导沿圆形波导圆心圆周均布，直波导与圆形波导连接，超表面位于圆形波导内，超表面沿圆形波导圆心圆周均布，当声波从直波导进入到圆形波导内时，遇到超表面发生偏转，从下一个直波导传出。
2.根据权利要求1所述的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，其特征在于：所述圆形波导的下表面延伸有凸台，在凸台上圆周均布超表面，所述超表面的结构为槽形状结构，由平行的若干个槽组成，其中槽的深度梯度变化，槽的个数大于等于5个，若干个槽的中间位置和直波导中心正对，若干个槽的整体宽度为1～1.2倍直波导宽度D。
3.根据权利要求2所述的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，其特征在于：所述槽的深度为h，h＝gx，x为所述槽的左壁距离第一个槽的左壁的距离，g是梯度系数，取0.3-0.4中任意一个数。
4.根据权利要求1所述的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，其特征在于：所述圆形波导的宽度为d，d<f/2c，f为工作频率，c为空气中声速，直波导宽度D>f/2c。
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