一種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲波單向傳播是聲學中重要的技術(shù)，通常是引入非線性或時變系統(tǒng)來打破互易原 理。將一個方向上入射的聲波改變其頻率，使其落在濾波系統(tǒng)的通帶上而得W傳播;而另一 個方向上入射的聲波則被濾波系統(tǒng)反射掉。之后，聲波單向傳播在線性系統(tǒng)中得到實現(xiàn)，主 要是改變兩邊入射聲波的波矢方向。在之前的一系列工作中，主要是關(guān)注于聲波的單向透 射，而作為一種基本的物理現(xiàn)象，如能實現(xiàn)聲波的單向反射，將極具意義。
[0003] 因此，需要一種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料W解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中聲波的單向反射的缺陷，提供一種能夠產(chǎn)生聲 波單向反射的聲學材料。
[000引技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料，在聲學材料中選定相互垂直的X方向和y 方向，本發(fā)明的聲學材料的聲學參數(shù)具有如下分布：
[0007]
其中，Px為聲學材料X方向的密度，Py為聲學材 料y方向的密度，B為聲學材料的彈性模量，P0和Bo分別是背景媒質(zhì)的密度和彈性模量。
[000引更進一步的：
其中，的意義為Ρχ為近零分量，而在生產(chǎn)實踐中，可 知Ρχ不可能完全為零，只能盡量趨近于零。經(jīng)過測算可發(fā)現(xiàn)當Ρχ小于等于背景介質(zhì)密度Bo的 百分之一即可有效實現(xiàn)單向反射。
[0009] 有益效果:本發(fā)明的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，可W 產(chǎn)生高效率的聲波隔離效果。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明所設(shè)及的聲學材料的等頻曲線圖；
[0012] 圖3是從底邊分別入射到本發(fā)明所設(shè)及的聲學材料上的聲場仿真圖；
[0013] 圖4是從右邊分別入射到本發(fā)明所設(shè)及的聲學材料上的聲場仿真圖；
[0014] 圖5從底邊入射且沒有障礙物的情況的聲場參考圖；
[0015] 圖6從右邊入射且有剛性障礙物的情況的聲場參考圖；
[0016] 圖7是本發(fā)明的透射率數(shù)值模擬圖；
[0017] 圖8是本發(fā)明的反射率數(shù)值模擬圖；
[0018] 圖9是本發(fā)明的一種可行的設(shè)計方案。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。W下僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā) 明的保護范圍并不W上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所掲示內(nèi)容 所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
[0020] 請參閱圖1所示，本發(fā)明的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料，在聲學材料中選定 相互垂直的X方向和y方向，本發(fā)明的聲學材料的聲學參數(shù)具有如下分布：
[0021]
其中，為聲學材料X方向的密度，Py為聲學材 料y方向的密度，B為聲學材料的彈性模量，P0和Bo分別是背景媒質(zhì)的密度和彈性模量。
[0022] 其中：
其中，的意義為Px為近零分量，而在生產(chǎn)實踐中，可知Px不可 能完全為零，只能盡量趨近于零。經(jīng)過測算可發(fā)現(xiàn)當Px小于等于背景介質(zhì)密度Bo的百分之一 即可有效實現(xiàn)單向反射。
[0023] 本發(fā)明的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，可W產(chǎn)生高效 率的聲波隔離效果。其中，聲學材料等效密度接近背景媒質(zhì)方向入射聲波將透射，等效密度 近零方向入射聲波將反射。且本發(fā)明的聲學材料屬于無源系統(tǒng)。
[0024] 如圖1中Ξ角形區(qū)域所示，放置于背景媒質(zhì)空氣中。由于該材料獨特的聲學性質(zhì)， 可W使得沿y軸正向傳播的聲波能較好的透射，而沿X軸負向傳播的聲波則被較好的反射。 從而，實現(xiàn)聲波單向反射的效果。
[0025] 請參閱圖2所示，本發(fā)明的聲學材料可用如圖的等頻曲線所描述。圖中，圓形曲線 所示為背景媒質(zhì)，本發(fā)明中背景媒質(zhì)為空氣，而楠圓形曲線為密度各向異性的聲學材料，且 其中一個分量近零，而另一個分量接近于背景媒質(zhì)。聲學材料有著各向異性分布的聲學參 數(shù)。該種材料用等頻方程可表示為
其中，k和ω分別是聲波在背景 介質(zhì)中的波數(shù)和角頻率，并且，Ρχ 一 〇+，Py = P日和B = B〇eP日和Β日分別是背景媒質(zhì)的密度和彈性 模量。由于其聲學參數(shù)的空間上的不對稱性，可W調(diào)制聲波，使得不同入射方向上的聲波受 到不同的調(diào)制。
[0026] 請參閱圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發(fā)明的聲學材料對不同方向入射聲波的仿真結(jié) 果可如圖所示。圖3和圖4分別是從底邊和右邊分別入射到本發(fā)明所設(shè)及的聲學材料上。由 于材料獨特的聲學性質(zhì)，底邊入射的聲波能夠很好地透射，材料近似于透明；而右邊入射的 聲波則被很大程度的反射掉，材料近似于剛性。圖5和圖6是作為參考的聲場，分別是從底邊 入射且沒有障礙物的情況和右邊入射有剛性障礙物的情況。通過對比，可W發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所 設(shè)及的聲學材料確實能夠?qū)崿F(xiàn)聲波方向反射的效果。
[0027] 請參閱圖7和圖8所示，本發(fā)明的聲學材料的透射效率和反射效率可如圖所示。作 為定量的比較，數(shù)值計算了在一個較寬的入射角范圍內(nèi)，本發(fā)明所設(shè)及的聲學材料的單向 反射效率。由圖7和圖8可W看出，無論是透射率還是反射率，都可W達到很高的效率。
[0028] 請參閱圖9所示，本發(fā)明的聲學材料可由一組膜型聲學超材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)所實現(xiàn)。 紙膜可用于調(diào)控聲波的相位，具有良好的動態(tài)范圍，可W實現(xiàn)近零甚至負的等效密度。
【主權(quán)項】
1. 一種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料，其特征在于：在聲學材料中選定相互垂直 的X方向和y方向，本發(fā)明的聲學材料的聲學參數(shù)具有如下分布：其中，Px為聲學材料X方向的密度，P y為聲學材料y 方向的密度，B為聲學材料的彈性模量，Po和Bo分別是背景媒質(zhì)的密度和彈性模量。2. 如權(quán)利要求1所述的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料，其特征在于：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料，在聲學材料中選定相互垂直的x方向和y方向，本發(fā)明的聲學材料的聲學參數(shù)具有如下分布：ρx→0+，和其中，ρx為聲學材料x方向的密度，ρy為聲學材料y方向的密度，B為聲學材料的彈性模量，ρ0和B0分別是背景媒質(zhì)的密度和彈性模量。本發(fā)明的能夠產(chǎn)生聲波單向反射的聲學材料設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，可以產(chǎn)生高效率的聲波隔離效果。
【IPC分類】G10K11/28
【公開號】CN105448288
【申請?zhí)枴緾N201510766455
【發(fā)明人】梁彬, 顧仲明, 鄒欣曄, 程建春
【申請人】南京大學
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月11日