一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬帶單向消聲器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲波單向傳輸控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬帶單向消 聲器。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲波，在日常生活中無處不在，它和光波一樣是常見的能量載體。聲波是人們交流 傳遞信息的重要手段之一，而且在一些領(lǐng)域如水聲通信、氣象雷達、醫(yī)學(xué)B超等方面，聲學(xué) 更是有著無可替代的作用，因此對聲波的調(diào)控具有十分重要的科學(xué)意義。
[0003] 通過對聲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及組成材料進行選擇，實現(xiàn)聲波的單向?qū)üδ芫哂泻芨叩?應(yīng)用價值。近十幾年來，在周期結(jié)構(gòu)中的波動問題成為了熱點問題，自然界中的許多晶體都 為周期結(jié)構(gòu)，而通過人工合成也可以制造。在這種周期結(jié)構(gòu)中存在的頻率禁帶引起了人們 的關(guān)注，即一些頻率的波可以傳播而其他頻率的波則不能傳播。
[0004] 在 1983 年，Bostrom在WaveMotion上發(fā)表文章（Acousticwavesina cylindricalductwithperiodicallyvaryingcrosssection)，用NF(null-field)方 法研究了在截面周期變化柱狀波導(dǎo)中的兩個較低模式的禁帶。
[0005] 在I"7 年，Bradley在發(fā)表的論文（TimeharmonicacousticBlochwave propagationinperiodicwaveguides)中詳細討論了周期聲波導(dǎo)中的線性耗散波的傳播 問題。
[0006] Hong-xiangSun等人在AppliedPhysicsLetters上發(fā)表的文章（Atunable acousticdiodemadebyametalplatewithperiodicalstructure)石開究了一種可 調(diào)諧的聲學(xué)二極管，通過把金屬板的單面設(shè)計為一些復(fù)雜的周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)聲波的單向?qū)?通，通過對這些結(jié)構(gòu)尺寸的改變可以改變頻帶。
[0007] 近年來，對聲波進行調(diào)控的問題成為了熱點，人們對聲波的調(diào)控方法進行了多種 多樣的嘗試。
[0008] 2013年，盧明輝等人在申請的專利（一種基于含時調(diào)制的聲二極 管，CN103592019A)中描述了一種基于含時調(diào)制的聲二極管，由聲波導(dǎo)管中存在的可由電 機帶動旋轉(zhuǎn)的橢圓柱和位于聲波導(dǎo)管尾部的濾波器組成。正向入射的聲波經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的橢圓 柱頻率發(fā)生躍迀，可以通過濾波器，而反向入射的聲波則被濾波器直接過濾掉，這樣就實現(xiàn) 了聲波的單向?qū)üδ堋?br>[0009] 值得注意的是，在2011年，南京大學(xué)聲學(xué)研究所的梁彬等人在專利（一種聲二級 管以及檢測聲二級管的系統(tǒng)，CN102175300A)中提出了一種聲二級管以及檢測聲二級管的 系統(tǒng)，該系統(tǒng)由管殼的一段設(shè)有層狀超晶格結(jié)構(gòu)的媒質(zhì)和余下的一段設(shè)有強聲學(xué)非線性的 含氣泡材料的媒質(zhì)組成，在二極管的兩側(cè)設(shè)置有多頻超高速換能器，在驅(qū)動電路的控制下 實現(xiàn)對聲二級管的檢測。
[0010] 而基于布拉格共振和非布拉格共振的聲波調(diào)制的研究也在逐漸展開，2008年，陶 智勇教授等人研究了在周期結(jié)構(gòu)中共振產(chǎn)生的禁帶問題，在周期結(jié)構(gòu)中的禁帶常常被認為 是由布拉格共振產(chǎn)生的，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)非布拉格共振產(chǎn)生的禁帶也存在于周期波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)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導(dǎo)致的頻帶的分裂和頻域禁帶具有很 重要的理論價值，在工程領(lǐng)域和相關(guān)聲學(xué)器件的制造方面有著潛在的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中對聲波單向整流的問題，提出一種對聲波的入 射角度和強度不敏感，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬帶單向消聲器。
[0012] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0013] 由上下壁為固定周期的矩形凹凸結(jié)構(gòu)和為平板的前后壁組成了長方體波導(dǎo)；上下 壁左右兩側(cè)凹凸結(jié)構(gòu)尺寸不同實現(xiàn)不同的聲導(dǎo)通，其尺寸由色散曲線給出，將波導(dǎo)左右兩 側(cè)不同功能的波導(dǎo)稱為波導(dǎo)1和波導(dǎo)2 ;所述的上下壁的凹凸結(jié)構(gòu)是在所選的平板材料上 根據(jù)尺寸可用數(shù)控車床做出，刻完波導(dǎo)1的周期接著刻波導(dǎo)2的凹凸結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)1和波導(dǎo)2 的周期個數(shù)在10到15之間，波導(dǎo)1和波導(dǎo)2的凹凸的長度與空氣層厚度有關(guān)，凸出的長度 與空氣層厚度的比值在〇. 1到〇. 3之間；比值的變化會改變帶寬，比值越大，帶寬越大，相反 的是帶寬減小；兩個波導(dǎo)的組合實現(xiàn)聲波的單向?qū)ㄊ钱斅暡ㄈ肷鋾r，波導(dǎo)2為基模的布 拉格共振產(chǎn)生頻域禁帶，波導(dǎo)1中發(fā)生橫向駐波模式的相互作用，產(chǎn)生單一的高階模式，波 導(dǎo)2產(chǎn)生的禁帶對高階模式?jīng)]有影響，高階模式可以透過。
[0014] 所述的復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)1和波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)參數(shù)由色散曲線得到：
[0015]
[0016] 其中，c為聲速，f為透射譜的中心頻率，p為第p階橫向模式，為第p階Bessel 函數(shù)的零點，P的取值為1，2, 3-.。L是周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的空氣層厚度，A是起伏結(jié)構(gòu)的周期 長度，0是傳播常數(shù)，n是Bragg共振的階數(shù)，n的取值為0, 1，2, 3*"波導(dǎo)1的參數(shù)由不 同模式之間的共振條件給出的，即P = 1基模和P = 2 -階模；波導(dǎo)2的參數(shù)由相同模式， P = 1，即基模間的共振條件給出的，周期長度A和中心頻率f?有關(guān)，每個周期的起伏寬度 相同為周期長度A的一半；基模到高階模的轉(zhuǎn)換是當高階模式的截止頻率等于低階模式 的共振頻率時，不同橫向模式間產(chǎn)生共振相互作用，使得基模被抑制，而單一高階模能夠產(chǎn) 生并傳播。
[0017] 所述的波導(dǎo)材料為剛性材料，消聲器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部為空氣。
[0018] 所述的長方體波導(dǎo)上下壁的的厚度范圍是3毫米到20毫米，前后壁厚度為5毫 米；
[0019] 所述的入射聲波的頻段在可聽聲段，且入射波可以從不同方向以不同強度入射。
[0020] 所述的單向?qū)l段確定管壁周期的大小，長方體波導(dǎo)上下壁周期越大，越能束 縛高頻的聲波，單向?qū)l帶越向低頻移動；長方體波導(dǎo)上下壁周期越小，高頻的聲波越容 易通過，單向?qū)l帶越向高頻移動。
[0021] 本發(fā)明方法的優(yōu)點在于：
[0022] 1.結(jié)構(gòu)簡單、成本低易于加工安裝。
[0023] 2.消聲比高、適應(yīng)性強。
[0024] 3.反射帶寬大，而且可以通過管上下壁的凹凸起伏來控制。
[0025] 4.長方體波導(dǎo)上下壁材料多樣，可根據(jù)實際條件選擇。
[0026] 5.在很多地方有潛在的應(yīng)用，如潛艇外殼結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計，提高潛艇的隱蔽性； 在大型建筑中墻壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的單向消聲器加工示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明的波導(dǎo)1結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖；
[0029]圖3本發(fā)明波導(dǎo)1產(chǎn)生的高階模示意圖；
[0030] 圖4本發(fā)明的波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖；
[0031] 圖5本發(fā)明波導(dǎo)2對聲波的衰減作用圖；
[0032] 圖6是本