CN114976548B - 一种可调频的波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调频的波导结构，整个结构分为4～8个重复单元，每个单元分为上下对称的两部分，每部分包括：外壳、隔板、四分之一波长管和插入管；所述隔板与外壳垂直连接，每相邻两块隔板间设有四分之一波长管；所述插入管两端开口，其长度小于四分之一波长管深度，设于四分之一波长管的中轴位置开口处；所述插入管和四分之一波长管构成亥姆霍兹共振腔，所述亥姆霍兹共振腔和隔板以指数曲线分布，声波在整个结构中单向传播。本发明可实现不同频率的左右侧声传输差值，打破对称性，实现非对称传输的效果，且结构新颖，不使用复杂的非线性材料和时空调制，体积较小，具有广泛的应用前景。

Description

一种可调频的波导结构
技术领域
本发明涉及一种波导结构，尤其涉及一种可调频的波导结构。
背景技术
在许多物理领域中，比如声学、电磁学等，当两个端口交换时，从一个端口到另一个端口的传输通常保持不变。这保证了波在固体和液体中传播时，在作用和响应之间的平衡。如果打破这种对称性，就导致一些新的先进设备的发明，比如声二极管、声回转器、单向镜等。其中，声二极管是一种基础设备。想要实现非对称传输，传统方法包括使用非线性效应等，但这会导致入射波信号变形。
M. A. Isakovich等提出：声波在窄管(与波长相比)中的传播速度取决于管壁的声导纳，弹性壁面导纳降低了传播速度。M. A. Mironov等在此基础上研究了随壁声导纳变化而改变截面的窄波导中的纵向声波，发现波导提供了波传播速度的平稳下降，这种下降发生得足够快，以至于传播速度在有限距离内消失。为消除弯曲波的反射，还在板和棒的边缘制造特殊的锥形，提出了具有变化截面和变化壁导纳的波导。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种具有可调频、可实现非对称传输且体积小的超构材料波导结构。
技术方案：本发明所述的可调频的波导结构，整个结构分为4～8个重复单元，每个单元分为上下对称的两部分，每部分包括：外壳、隔板、四分之一波长管和插入管；所述隔板与外壳垂直连接，每相邻两块隔板间设有四分之一波长管；所述插入管两端开口，其长度小于四分之一波长管深度，设于四分之一波长管的中轴位置开口处；所述插入管和四分之一波长管构成亥姆霍兹共振腔，所述亥姆霍兹共振腔和隔板以指数曲线分布，声波在整个结构中单向传播。
进一步地，所述结构中每部分的亥姆霍兹共振腔个数为10～15个。
进一步地，亥姆霍兹共振腔共振频率的计算公式为：
f=c/2π(An/(VcLn))0.5，其中，c是共振腔中的空气声速，An是共振腔颈部横截面积，Vc是共振腔体积，Ln是共振腔颈部长度。
进一步地，所述亥姆霍兹共振腔和隔板的长度均为3～40mm。
进一步地，所述相邻隔板间的距离从3mm开始依次以0.5mm的差值递增。
进一步地，所述插入管管截面形状为四边形，长度为0.4～7mm，数量为10～15个。
进一步地，所述结构中每一重复单元上下两部分的对称轴和隔板之间的距离为r（X），r（X）=-R/（L2）*X2，X为对称轴上的坐标，R为该整体结构不含外壳高度（2R）的一半，L为每个单元的每个重复部分的宽度。
进一步地，所述整个结构长度为400～800mm，高度为72mm～117mm，厚度为30～50mm。
工作原理：在许多物理领域中，比如声学、电磁学等，当两个端口交换时，从一个端口到另一个端口的传输通常保持不变。这保证了波在固体和液体中传播时，在作用和响应之间的平衡。如果打破这种对称性，就导致一些新的先进设备的发明，比如声二极管、声回转器、单向镜等。其中，声二极管是一种基础设备。想要实现非对称传输，传统方法包括使用非线性效应等，但这会导致入射波信号变形。
当声波在一个窄管道（相比于波长）传播的声速取决于管道壁的声学导纳，弹性壁导纳降低传播的速度，导纳是由相邻隔板间的介质的压缩性决定的。声波入射到波导结构中时，从左侧到右侧和从右侧到左侧的声波传播路径不同，非对称的截面使得反射模式不同，从右侧到左侧的声传输被非对称的截面所阻挡。换句话说，这种非对称声传输是因为沿x方向的非对称微结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）不需要使用传统的非线性材料、时空调制材料，仅使用线性材料，便可实现非对称传输，且不会破坏入射声波频率；（2）可以通过改变结构参数（如共振腔长度、结构高度等）实现有效的调频，针对不同频段进行非对称传输，而不是局限于某个频率，在本发明中，综合几种调节情况，可调节的频率范围约为990-1427Hz；（3）可以实现以较小的尺寸来达到较大的非对称传输差值，如当结构高度为92mm时，可在约1180Hz处实现约26dB的非对称传输差值。
附图说明
图1是本发明整体结构二维示意图；
图2是本发明结构中一个重复单元的上半部分结构的二维示意图；
图3是本发明二维结构及其仿真外部背景压力场、完美匹配层示意图；
图4是本发明对R=45mm（结构高度为2R+2），腔长度增加2mm的结构进行有限元仿真分析，得到从左到右和从右到左的声传输对比曲线；
图5是本发明结构调整共振腔长度对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图6是本发明结构调整变化截面对应曲线幂指数对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图7是本发明结构调整结构高度（结构高度为2R+2，调整R值）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图8是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为50mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图9是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为45mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图10是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为40mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图；
图11是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为35mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述的可调频的波导结构，整个结构分为4～8个重复单元，每个单元分为上下对称的两部分，每部分包括：外壳1、隔板2、四分之一波长管3和插入管4；所述隔板2与外壳1垂直连接，每相邻两块隔板2间设有四分之一波长管3；所述插入管4两端开口，其长度小于四分之一波长管3深度，设于四分之一波长管3的中轴位置开口处；所述插入管4和四分之一波长管3构成亥姆霍兹共振腔，所述亥姆霍兹共振腔和隔板2以指数曲线分布，声波在整个结构中单向传播。
如图1，整个结构是由四个重复单元组成，每个重复单元完全相同，由外壳1、隔板2、四分之一波长管3和插入管4组成，四分之一波长管3和插入管4形成了亥姆霍兹共振腔，最终形成了可调频的超构材料波导结构。整体外形尺寸为：长度为400～800mm，高度为72mm～117mm，厚度为30～50mm。亥姆霍兹共振腔和隔板2的长度均为3～40mm，每个单元的每个部分隔板和亥姆霍兹共振腔数量均为10～15个，相邻隔板间的距离从3mm开始依次以0.5mm的差值递增。
如图2，为整个结构的一个重复单元。亥姆霍兹共振腔共振频率的计算公式为：f=c/2π(An/(VcLn))0.5，其中，c是共振腔中的空气声速，An是共振腔颈部横截面积，Vc是共振腔体积，Ln是共振腔颈部长度。共振腔的共振频率随腔的深度增加而减小。插入管设于所述四分之一波长管的中轴位置，形成亥姆霍兹共鸣腔。插入管管截面形状为四边形，长度为0.4～7mm，每个单元每个部分的数量为10～15个。
如图2，对称轴和隔板之间的距离定为r（X），r（X）=-R/（L2）*X2，X为对称轴上的坐标，L为每个单元的每个重复部分的宽度，L=127.5mm。隔板厚度为W0，W0=1mm。
如图2，从左往右，上下是对称的两部分，组成了该结构的一个单元。从左上角开始，从左至右依次为第一至第十三号亥姆霍兹共振腔。其中，一号共振腔共振频率为35329Hz，插入管长度为0.22mm；二号共振腔共振频率为18656Hz，插入管长度为0.47mm；三号共振腔共振频率为11510Hz，插入管长度为0.75mm；四号共振腔共振频率为8007Hz，插入管长度为1.12mm；五号共振腔共振频率为5905Hz，插入管长度为1.67mm；六号共振腔共振频率为4585Hz，插入管长度为2.25mm；七号共振腔共振频率为3683Hz，插入管长度为2.97mm；八号共振腔共振频率为3100Hz，插入管长度为3.94mm；九号共振腔共振频率为2988Hz，插入管长度为4.99mm；十号共振腔共振频率为2446Hz，插入管长度为8.78mm；十一号共振腔共振频率为2182Hz，插入管长度为8.25mm；十二号共振腔共振频率为1943Hz，插入管长度为11.37mm；十三号共振腔共振频率为1803Hz，插入管长度为6.3mm。相对称的共振腔尺寸相同，共振频率相同。
如图3，是本发明结构及其外部背景压力场、完美匹配层示意图。其中，四周为完美匹配层，内部除二维模型外为背景压力场。该图所示的是声波从左侧（A侧）入射，如箭头所示。
如图4，对R=45mm（结构高度为2R+2），腔长度增加2mm的结构进行有限元仿真分析，得到从左到右和从右到左的声传输对比曲线。在结构总高度为92mm的情况下，该结构非对称传输起始频率为1120Hz，带宽401Hz，在约1180Hz时出现最大传输差值约26dB。通过改变共振腔的长度或结构的高度可以调整非对称传输起始频率，实现调频。
如图5，是本发明结构调整共振腔长度对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，随着长度的增加，起始频率降低，带宽的总趋势也是降低。
如图6，是本发明结构调整幂指数曲线所对应的幂指数对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，随着幂指数的增加，起始频率和带宽均增加。
如图7，是本发明结构调整结构高度（结构高度为2R+2，调整R值）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，随着R的减小，起始频率增大，带宽总体呈现增大趋势。
如图8，是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为50mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，当R为50mm时，随着长度的增加，起始频率和带宽都降低，但此时带宽很小。
如图9，是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为45mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，当R为45mm时，随着长度的增加，起始频率和带宽都降低，但此时与原亥姆霍兹结构（R为57.5mm，起始频率1087Hz，带宽271）相比，起始频率稍微增大，带宽明显增大，且尺寸明显减小（R为45mm）。
如图10，是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为40mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，当R为40mm时，随着长度的增加，起始频率和带宽都降低，但此时与原亥姆霍兹结构（R为57.5mm，起始频率1087Hz，带宽271）相比，起始频率稍微增大，带宽明显增大，且尺寸明显减小（R为40mm）。
如图11，是本发明结构同时调整共振腔长度和结构高度（结构高度为2R+2，调整R值为35mm）对非对称传输起始频率、终止频率和带宽的影响示意图。可发现，当R为35mm时，随着长度的增加，起始频率降低，带宽基本不变。此时与原亥姆霍兹结构（R为57.5mm，起始频率1087Hz，带宽271）相比，起始频率稍微增大，带宽明显增大，且尺寸明显减小（R为35mm）。

Claims (7)

1.一种可调频的波导结构，其特征在于：整个结构分为4～8个重复单元，每个单元分为上下对称的两部分，每部分包括：外壳(1)、隔板(2)、四分之一波长管(3)和插入管(4)；所述隔板(2)与外壳(1)垂直连接，每相邻两块隔板(2)间设有四分之一波长管(3)；所述插入管(4)两端开口，其长度小于四分之一波长管(3)深度，设于四分之一波长管(3)的中轴位置开口处；所述插入管(4)和四分之一波长管(3)构成亥姆霍兹共振腔，所述亥姆霍兹共振腔和隔板(2)以指数曲线分布，声波在整个结构中单向传播；所述波导结构通过同时改变亥姆霍兹共振腔的长度和波导结构的高度实现调频和调整带宽，调整方式满足r(X)＝-R/(L2)*X2，所述r(X)为结构中每一重复单元上下两部分的对称轴和隔板(2)之间的距离，X为对称轴上的坐标，R为整体结构不含外壳高度的一半，L为每个单元的每个重复部分的宽度。
2.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述结构中每部分的亥姆霍兹共振腔个数为10～15个。
3.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述亥姆霍兹共振腔共振频率的计算公式为：
f＝c/2π(An/(VcLn))0.5，其中，c是共振腔中的空气声速，An是共振腔颈部横截面积，Vc是共振腔体积，Ln是共振腔颈部长度。
4.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述亥姆霍兹共振腔和隔板(2)的长度均为3～40mm。
5.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述相邻隔板(2)间的距离从3mm开始依次以0.5mm的差值递增。
6.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述插入管(4)管截面形状为四边形，长度为0.4～7mm，数量为10～15个。
7.根据权利要求1所述的可调频的波导结构，其特征在于：所述整个结构长度为400～800mm，高度为72～117mm，厚度为30～50mm。
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