基于人工结构的无源声场操控

论文摘要

声场操控是声学研究的核心问题之一,但经典声学主要依赖自然材料本身的声学性质,导致在声波操控方面存在若干根本性的困难,例如,声能量的非对称传输和用小尺寸结构操控低频声场。因此,研究用人工方式来突破经典声学的局限、以无源结构实现特殊声场操控具有重大的物理意义和应用价值,特别是在噪声控制和电声设计等场合有较大的需求。本文工作主要包括以下4部分内容:1.引入具有易制备、低损耗、无色散的天然材料——氙气,构建一管道中的非对称几何结构,利用结构的不对称性及氙气和空气两种天然气体折射率的差异,实现了声波在管道中的非对称传输。当声波正向入射时,可通过结构到达管道右侧,反向入射时被结构阻隔不能通过。数值仿真结果证明,该结构在宽频带范围内具有高度不对称的声传输效果。该高效、宽带非对称声传输结构具有结构简单、透明超轻等优点,为声单向传输器件的设计提供了新的可能,有望在噪声控制等领域得到应用。2.提出两种可通流体的非对称声传播结构,其管道内均包含两个相同尺寸、内含氙气的直角三角形结构,两个三角结构之存在空隙可通过流体,不会破坏流体的连续性,但尺寸和位置有所不同。结构一可在3-10 kHz范围内实现声波的非对称传输;结构二可在3kHz以上的宽带范围内实现非对称声传输,其正向透射率高于结构一,且尺寸更小、可流通流体的空间更大。3.提出了一个以空气为背景介质、具有高效强指向性的平面超薄人工结构。该结构包含一中心折叠狭缝,同时结构两侧上下均嵌有类HR凹槽阵列。中心折叠狭缝延长了声波传播路径,提高了结构中心处的等效折射率,从而将F-P共振频率向低频偏移,实现了更大波长、更低频率处的F-P共振。类HR阵列将空气中的入射平面声波转换成束缚在结构表面的表面模态,和中心狭缝处产生的F-P共振耦合,产生的高效准直声束在透射端的自由声场传播距离超过了 125个入射波长,具有传输距离远,指向性高的特性。该器件在深亚波长尺度实现了高指向性声辐射,有望在噪声控制及电声设计等场合产生广泛应用。4.探讨了结构两侧的类HR阵列之间的距离D和凹槽数量r对透射率和准直效果的影响。结果表明,当D和r改变时,共振频率不变,对透射率和准直效果影响不大,说明对该结构共振频率产生影响的是F-P共振频率和类HR共振频率,与布拉格散射无关。因此,在减小D和r的基础上,对低频入射声波经过结构后的情况进行讨论。研究表明,在合理控制中心狭缝处F-P共振频率和类HR共振频率的情况下,可在低频处以较低尺度有效实现高指向性的准直声束。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 管道噪声控制传统方法简介
•   1.2 指向性声辐射传统器件简介
•   1.3 声人工结构
•     1.3.1 声子晶体
•     1.3.2 声学超构材料
•   1.4 非对称声传播器件发展历史
•   1.5 指向性声辐射器件发展历史
•   1.6 本文主要工作及全文安排
• 第二章 声场操控基本理论
•   2.1 引言
•   2.2 互易原理
•   2.3 声参量阵基础理论
•   2.4 一维周期结构刚板的透射理论
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于天然材料的非对称声传输管道结构
•   3.1 引言
•   3.2 基于天然材料的非对称声传输人工结构
•     3.2.1 天然材料在人工结构中的应用
•     3.2.2 基于天然材料的非对称声传输结构及工作原理
•     3.2.3 仿真结果及分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 流体可传输的非对称声传输管道结构
•   4.1 引言
•   4.2 流体可传输的非对称声传输管道结构
•     4.2.1 结构及工作原理
•     4.2.2 仿真结果及分析
•   4.3 改进的流体可传输的非对称声传输管道结构
•     4.3.1 结构及工作原理
•     4.3.2 仿真结果及分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 可产生强指向性声辐射的平面超薄结构
•   5.1 引言
•   5.2 可实现指向性声辐射的方法
•   5.3 高指向性的平面超薄结构
•     5.3.1 声学体系中的F-P共振
•     5.3.2 类亥姆霍兹共振腔（HR,Helmholtz Resonator）
•     5.3.3 高指向性超薄平面结构设计及其原理
•     5.3.4 仿真结果及分析
•     5.3.5 参数对准直效果的影响
•     5.3.6 适用于较低频率入射声的高指向性声辐射器件
•   5.4 小结
• 第六章 结论和展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在博士研读期间发表论文及主要成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡洁

导师: 邱小军

关键词: 无源声场操控,非对称声传播,深亚波长结构,高指向性声辐射,噪声控制

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O422.2

总页数: 89

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