CN109274348A - 一种非对称耦合声波导滤波器 - Google Patents

一种非对称耦合声波导滤波器 Download PDF

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张辉
殷国栋
倪中华
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Abstract

本发明涉及一种非对称耦合声波导滤波器，包括至少一组波导结构，每组波导结构包括声主波导，其通过连接喉管连接旁支管，前述的旁支管包括至少两个分支；前述的的声主波导、旁支管的分支和连接喉管均是制备在基体材料中的孔状结构；还包括调谐装置，介电超弹性体，其通过控制弹性体的电流对分支的长度进行调节；本发明不仅可以实现对低频噪音的传输进行控制，阻隔特定的频率成分；同时，通过改变滤波器的结构参数，实现对透射频率的自动控制。

Description

一种非对称耦合声波导滤波器
技术领域
本发明涉及一种非对称耦合声波导滤波器，属于音频声学和环境噪声控制领域。
背景技术
低频声波透射的调控一直是声学研究的热点。近年来，随着工业化规模的扩大和城市化程度的提高，低频噪声成了人们日常生活的危害之一，因此对于低频噪声的控制显得尤为紧迫；相较于排除噪声源和人耳处的主动防护减弱噪声，改善声波的传输路径并对声波透射进行控制在特殊场合更为有效。所以，如何利用小尺寸结构对低频大波长声波进行调控和滤波就成为重要的问题。
发明内容
本发明提供一种非对称耦合声波导滤波器，不仅可以实现对低频噪音的传输进行控制，阻隔特定的频率成分；同时，通过改变滤波器的结构参数，实现对透射频率的自动控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种非对称耦合声波导滤波器，包括至少一组波导结构，每组波导结构包括声主波导，其通过连接喉管连接旁支管，前述的旁支管包括至少两个分支；
前述的的声主波导、旁支管的分支和连接喉管均是制备在基体材料中的孔状结构；
还包括调谐装置，介电超弹性体，其通过控制弹性体的电流对分支的长度进行调节；
作为本发明的进一步优选，前述的波导结构在基体材料中以单一或者多个波导形式呈现；
作为本发明的进一步优选，前述的波导结构以多个波导形式呈现时，排列形成的阵列为周期性阵列或非周期性阵列；
作为本发明的进一步优选，前述的声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面为圆形或者正方形或者长方形或者三角形或者多边形结构；
作为本发明的进一步优选，声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面以相同截面形式或不相同截面形式设置；
作为本发明的进一步优选，前述的声主波导和连接喉管以直线结构或者管道环绕结构设置，包括盘状螺旋形；
作为本发明的进一步优选，旁支管的分支内的管道以折叠状或者盘状螺旋设置，且可无限延伸；
作为本发明的进一步优选，构成每组波导结构的声主波导、旁支管的分支和连接喉管选用固定材料制备，包括金属材料或非金属材料。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明基于复杂的波导结构，利用声波在结构中的耦合，干涉形成共振峰，对透射谱产生影响，并通过可调谐装置对结构进行调控，从而利用非对称结构引起的突变对透射谱进行调谐，达到低频异常透射的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的波导结构示意图；
图2是本发明的优选实施例中波导结构以多个波导形式呈现时，排列形成的阵列为周期性阵列的板状结构示意图；
图3是本发明的优选实施例中旁支管的两个分支在对称情况下，声波的透射谱；
图4是本发明的优选实施例中旁支管的两个分支在非对称情况下，声波的透射谱。
图中：1为声主波导，2为连接喉管，3为旁支管。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明包括以下特征部件，其中1为声主波导，2为连接喉管，3为旁支管。
本发明的一种非对称耦合声波导滤波器，包括至少一组波导结构，每组波导结构包括声主波导，其通过连接喉管连接旁支管，前述的旁支管包括至少两个分支；
前述的的声主波导、旁支管的分支和连接喉管均是制备在基体材料中的孔状结构；
还包括调谐装置，介电超弹性体，其通过控制弹性体的电流对分支的长度进行调谐；改变分支的长度，对透射谱进行调节；透射谱调谐，指的是调谐能够透过周期性结构的声波频率；
需要注意的是，多组波导结构中的声阻抗远大于背景媒质声抗；
作为本发明的进一步优选，前述的波导结构在基体材料中以单一或者多个波导形式呈现；
作为本发明的进一步优选，前述的波导结构以多个波导形式呈现时，排列形成的阵列为周期性阵列或非周期性阵列；
作为本发明的进一步优选，前述的声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面为圆形或者正方形或者长方形或者三角形或者多边形结构；前述的声主波导、旁支管的分支和连接喉管宽度均为2mm，每组波导结构以边长为52mm的正方形状设置；
作为本发明的进一步优选，声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面以相同截面形式或不相同截面形式设置；
作为本发明的进一步优选，前述的声主波导和连接喉管以直线结构或者管道环绕结构设置，包括盘状螺旋形；
作为本发明的进一步优选，旁支管的分支内的管道以折叠状设置，且无限延伸；
作为本发明的进一步优选，构成每组波导结构的声主波导、旁支管的分支和连接喉管选用固定材料制备，包括金属材料或非金属材料。
具体的，如图1所示，分为声主波导、旁支管和连接喉管，结构选用的材料为铝制，可看做硬边界，集中讨论100～2000HZ的声波；其中
波导用于连接入射出射边，传导声波，介质为空气；
连接喉管用于连接声主波导与旁支管，为了避免连接喉管的影响，将连接喉管的长度设置尽可能小；
旁支管提供了透射的多样性，声波通过连接喉管进入旁支管的分支，由于长度的变化，使得传播过程中声波相位具有额外的变化；
图2所示，是周期性板状结构，将复杂波导结构周期性排列构成板状，能够在单个波导结构大小不改变的情况下，提高其应用性，声波从一端垂直，在另一端接收，并转化成透射谱；
图3所示，是结构调谐可行性的补充，单一结构尺寸并不具备良好的应用性，而通过电流大小从而调控分支管的长度，可以改变透射峰的位置；
根据局域描述分析法，连续性条件以及声阻抗传播方程，可以描述出单元结构中的声学性质，包括声压，声速度以及声阻抗；
通过计算我们可以得到旁支结构的声阻抗：
上述公式中，Yl为旁支管的声导纳，i为虚部单位，kl为旁支管内的声波矢量，d1和d2分别表示旁支管两个分支的长度。
当考虑0～2000HZ的声波时，两个旁支管长度d1和d2相等的情况下，由于1/4波长共振，即声波经过旁支管反射回来的声波与自身形成驻波，产生共振，因此产生600HZ附近与1600HZ附近的峰值；此时的旁支管的分支尺寸分别为129mm,139mm,144mm，分别对应图四中实线、虚线和点线三种曲线；
为了更改透射谱的峰值位置，在对称情况下需要更改旁支管的分支的长度，要想有大范围的峰值变化，需要大范围的改变旁支管的分支长度；
我们通过改变两个旁支管的分支的对称性，即让两个旁支管的分支的长度不一致，即d1和d2不相等，将在原来两峰值中间出现了新的峰值；
第一、三峰值是由于长管中的1/4波长共振引起的；
中间峰值则是由较短分支中的1/4波长共振引起的；
我们通过增加长管，减小短管的长度，可以将峰值覆盖低频区域；
如图4所示，增加长管长度会使第一、三峰值位置下降，减小短管长度会使中间峰值位置增大。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：包括至少一组波导结构，每组波导结构包括声主波导，其通过连接喉管连接旁支管，前述的旁支管包括至少两个分支；
前述的的声主波导、旁支管的分支和连接喉管均是制备在基体材料中的孔状结构；
还包括调谐装置，介电超弹性体，其通过控制弹性体的电流对分支的长度进行调节。
2.根据权利要求1所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：前述的波导结构在基体材料中以单一或者多个波导形式呈现。
3.根据权利要求2所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：前述的波导结构以多个波导形式呈现时，排列形成的阵列为周期性阵列或非周期性阵列。
4.根据权利要求1所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：前述的声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面为圆形或者正方形或者长方形或者三角形或者多边形结构。
5.根据权利要求4所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：声主波导孔状结构的横截面、旁支管的分支孔状结构的横截面以及连接喉管孔状结构的横截面以相同截面形式或不相同截面形式设置。
6.根据权利要求1所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：前述的声主波导和连接喉管以直线结构或者管道环绕结构设置，包括盘状螺旋形。
7.根据权利要求1所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：旁支管的分支内的管道以折叠状或者盘状螺旋设置，且可无限延伸。
8.根据权利要求1所述的非对称耦合声波导滤波器，其特征在于：构成每组波导结构的声主波导、旁支管的分支和连接喉管选用固定材料制备，包括金属材料或非金属材料。
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