一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法技术

一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，所述的超构材料由亥姆霍兹共鸣器构成，将声波从超构材料的一端输入，输入声波的声压级范围为130dB至180dB，从超构材料的另一端获取输出声波；所述的输出声波满足：随着入射声波的幅值的升高，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0降低，声波的禁带扩大、声波的通带减小。本发明专利技术利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性，来改变由其构成的超构材料的通频带特性，实现对通频带宽度的调控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用亥姆霍兹共鸣器，在声学超构材料的单元尺寸远小于声波波长的情况下，利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变超构材料声波通频带的方法。
技术介绍
声学超构材料(AcousticMetamaterials)通过构造某种具有特殊功能的人工微结构单元，在微单元尺度上形成对声波运动状态的有序调制，获得与自然材料迥然不同的声学特性。利用超构材料能够实现对声场进行调控的特性，可以控制和改变声信号传输的特性，设计新的声学器件，如声滤波器、声传感器、声指向器等。在基于管道结构的声学超构材料的设计中，通过周期性排列的亥姆霍兹共鸣器或薄膜的应用，可以分别改变材料的有效体模量参数及有效密度模量参数，实现负体模量、负密度模量、体模量和密度模量均为负的超构材料的设计，进而改变声波在超构材料中的通频带特性。以上关于声波超构材料的研究，大多是基于线性的范畴，相关非线性特性的分析还比较少。近年来，随着声学超构材料在国防、经济和社会生活方面具有越来越重要应用前景，对其非线性传输特性的研究越来越受到重视。研究超构材料的非线性特性对声波通频带的影响，是一个重要且有意义的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的是：利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性，来改变由其构成的超构材料的通频带特性，实现对通频带宽度的调控。本专利技术的技术方案是：一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，所述的超构材料由亥姆霍兹共鸣器构成，将声波从超构材料的一端输入，输入声波的声压级范围为130dB至180dB，从超构材料的另一端获取输出声波；所述的输出声波满足：随着入射声波的幅值的升高，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0降低，声波的禁带扩大、声波的通带减小。本专利技术的输入声波的声压级范围低于130dB时，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0保持不变，声波的禁带及通带保持不变。本专利技术的超构材料的结构包括一维圆形管道，在前述一维圆形管道上级联上多个亥姆霍兹共鸣器，管道的一侧边放置有吸声材料。本专利技术的亥姆霍兹共鸣器的级联个数是50—500个。本专利技术的相邻亥姆霍兹共鸣器的中心距离小于声波波长的五分之一。本专利技术的圆形管道的内径及亥姆霍兹共鸣器的周期长度为l＝30mm和L＝70mm；亥姆霍兹共鸣器的颈部长度和截面面积为l1＝13.5mm和s＝25mm2，亥姆霍兹共鸣器腔体的长度和截面面积为l2＝50mm和sc＝2500mm2；此结构适应的声波范围为200Hz至2450Hz。需要说明的是，调整亥姆霍兹共鸣器及圆形管道的结构参数，可以适应改变频率范围。本专利技术的方法具体为：S1、通过调整入射声波的幅值，改变亥姆霍兹共鸣器的有效非线性阻抗，前述输入声压的幅值和有效非线性阻抗满足下述公式：ZNHR=1/[[jωV0B0sω02D(ω)]+[3jωB0ω08sV0pa2D(ω)3D(-ω)[43c2ω02D(0)+23c2ω02D(2ω)+d]]]]]>其中，j为虚单位；ω是入射声波的角频率，pa是入射声波的幅值；B0＝ρ0c02是空气的体积模量，ρ0是空气的密度，c0是空气中的声速；s＝25mm2是亥姆霍兹共鸣器颈部的截面积，V0＝scl2是单个亥姆霍兹共鸣器腔体的体积，sc＝2500mm2，l2＝50mm；是亥姆霍兹共鸣器的共振角频率，Cm＝V0/s2ρ0c02是腔体的等效力顺，Mm＝ρ0l1s是颈部空气的质量，l1＝13.5mm；D(ω)＝ω2-ω02+jδω，δ＝Rm/Mm是衰减因子，Rm＝Rvis+Rrad是亥姆霍兹共鸣器颈部的电阻，a1是颈部的半径，η＝1.5×10-5m2/s是粘滞系数，Rrad＝(1/4)ρ0c0(ka1)2/s，k为波数；c＝aCm，d＝bCm2，a＝(γ+1)s/2V0，b＝(γ+1)(γ+2)s2/6V02，此处γ≈1.4是空气的定压比热与定容比热之比。(此表达式中，忽略等式右端分母中的第二项，其转变为亥姆霍兹共鸣器的有效线性阻抗的表达式。由此ZNHR的表达式可以看出，有效非线性阻抗是与输入声压的幅值pa有关系的，通过输入不同pa的数值，可以达到改变亥姆霍兹共鸣器阻抗的目的；在非线性情况下，f0左移，中间的禁带变宽，左边的通带变窄，且随着输入声压级的增大，由于非线性特性的影响，f0进一步左移，禁带进一步变宽，而左侧的通带进一步变窄。)S2、结合前述有效非线性阻抗ZNHR，采用声传输线方法，得到声能传输频谱；使得输入不同的声压幅值pa，进而改变ZNHR的值，从而达到改变声能传输频谱的目的。本专利技术中，中间部分由f0至fn的频带为禁带，其左右两侧为通带。在非线性情况下，随着输入声压级的增加，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0逐渐变小，禁带左边界左移，禁带变宽，而相应的左侧通带变窄；而fn不随输入声压级的变化而变化。本专利技术的有益效果：本专利技术通过得到的亥姆霍兹共鸣器的有效非线性阻抗ZLHR的表达式，利用声传输线方法来计算和分析声强T的大小，实现对在不同声压级输入情况下，声强传输系数与频率之间关系的分析，完成对超构材料通频带的禁带与通带宽度的调控。本专利技术与现有技术相比具有如下的特点，通过摄动法的应用，分析亥姆霍兹共鸣器的非线性特性，得出其非线性阻抗的表达式，进而完成对由亥姆霍兹共鸣器构成的超构材料的有效非线性体积模量的计算，和对此超构材料通频带的非线性特征的分析。此专利技术可以应用于其它超构材料非线性问题的探讨，为非线性超构材料的特性研究提供了新的方法，开辟了新的思路。附图说明图1实验系统框图图2由亥姆霍兹共鸣器构成的超构材料的结构示意图图3亥姆霍兹共鸣器的有效阻抗的散射曲线图，其中图3a亥姆霍兹共鸣器线性阻抗的散射曲线图图3b亥姆霍兹共鸣器非线性阻抗在输入声压级为140dB时的散射曲线图图3c亥姆霍兹共鸣器非线性阻抗在输入声压级为160dB时的散射曲线图图4超构材料的通频带在不同输入声压级下的变化规律具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，所述的超构材料由亥姆霍兹共鸣器构成，将声波从超构材料的一端输入，输入声波的声压级范围为130dB至180dB，从超构材料的另一端获取输出声波；所述的输出声波满足：随着入射声波的幅值的升高，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0降低，声波的禁带扩大、声波的通带减小。本专利技术的输入声波的声压级范围低于130dB时，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0保持不变，声波的禁带及通带保持不变。对此专利技术的有效性和可行性，我们进行了数值计算。对如图2所示的由周期性亥姆霍兹共鸣器所构成的超构材料，通过摄动法的应用，求解出亥姆霍兹共鸣器的有效非线性阻抗的表达式为：ZNHR=1/[[jωV0B0sω02D(ω)]+[3jωB0ω08sV0pa2D(ω)3D(-ω)[43c2ω02D(0)+23c2ω02D(2&o本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是所述的超构材料由亥姆霍兹共鸣器构成，将声波从超构材料的一端输入，输入声波的声压级范围为130dB至180dB，从超构材料的另一端获取输出声波；所述的输出声波满足：随着入射声波的幅值的升高，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0降低，声波的禁带扩大、声波的通带减小。

【技术特征摘要】
1.一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是所述的超构材料由亥姆霍兹共鸣器构成，将声波从超构材料的一端输入，输入声波的声压级范围为130dB至180dB，从超构材料的另一端获取输出声波；所述的输出声波满足：随着入射声波的幅值的升高，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0降低，声波的禁带扩大、声波的通带减小。2.根据权利要求1所述的一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是输入声波的声压级范围低于130dB时，亥姆霍兹共鸣器的谐振频率f0保持不变，声波的禁带及通带保持不变。3.根据权利要求1所述的一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是所述超构材料的结构包括一维圆形管道，在前述一维圆形管道上级联上多个亥姆霍兹共鸣器，管道的一侧边放置有吸声材料。4.根据权利要求1或2所述的一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是所述的亥姆霍兹共鸣器的级联个数是50—500个。5.根据权利要求1所述的一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是相邻亥姆霍兹共鸣器的中心距离小于声波波长的五分之一。6.根据权利要求2所述的一种利用亥姆霍兹共鸣器的非线性特性改变声学超构材料通频带的方法，其特征是圆形管道的内径及亥姆霍兹共鸣器的周期长度为l＝30mm和L＝70mm；亥姆霍兹共鸣器的颈部长度和截面面积为l1＝13.5mm和s＝25mm2，亥姆霍兹共鸣器腔体的长度和截面面积为l2＝50mm和sc＝2500mm2；此结构适应的声波范围为200Hz至2450Hz。需要说明的是，调整亥姆霍兹共鸣器及圆形管道的结构参数，可以适应改变频率范围。7.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李义丰，蓝君，朱晓梅，余辉洋，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32