一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，包括具有特定拓扑荷数的超结构，并与轴承固定，通过传送带与电机相连实现轴向转动，超结构两侧与圆形波导相连，同时声波由一侧波导激发。当超结构转速为恰当值时，声波将无法从另一侧波导输出，实现其隔离功能。因此，在不需要较高输入能量、特定材料或庞大装置的情况下，系统实现了非互易传输功能。同时系统具有结构简单，隔离速度快，高转化率，高隔离率的优点，并且可以在较宽的频率范围内实现声学非互易和声学隔离。实现声学非互易和声学隔离。实现声学非互易和声学隔离。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置


[0001]本专利技术涉及声学领域，具体涉及一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置。

技术介绍

[0002]波的非互易性是一种打破时间反演对称性(Time
‑
reversal symmetry)的一种特殊性质。非互易性的产生也为控制波的传输和波与物质间的相互作用提供了可能，例如探测、信息交流和成像等领域。
[0003]传统的非互易装置或非对称声学装置，通常利用非线性材料，超声波波源或共振结构等方式实现，但其装置结构庞大，对入射声源、介质材料要求较高，并且对于特定结构、特定材料，仅仅只适用于特定频率的声波。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，具有结构简单，隔离速度快，高转化率，高隔离率等优点，改善了传统非互易装置对材料，声源，结构的要求，减小了非互易装置的体积。
[0005]为实现上述目的，本专利技术可以采取以下技术方案：
[0006]一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，其包括：
[0007]声学超结构，其内部具有螺旋梯度；
[0008]圆形波导，其设置在所述声学超结构的两侧；以及，
[0009]传动件，其用于驱动所述声学超结构绕其轴心转动，其中，入射声波透过轴向旋转的所述声学超结构后，形成具有确定拓扑荷数的涡旋声束。
[0010]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：旋转的所述声学超结构用于产生旋转多普勒效应。
[0011]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：旋转的所述声学超结构用于同时实现拓扑荷数的转化和波矢的偏置。
[0012]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：所述偏置按照如下方式施加：沿一方向传播的平面波通过静止或与涡旋声束反向旋转的超结构时完全透射，沿相反方向传播的平面波通过与涡旋声束同向旋转的超结构时完全阻断。
[0013]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：所述声学超结构固定于轴承中，所述轴承通过传送带与电机相连，所述电机通过所述传送带传动从而带动所述声学超结构旋转。
[0014]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：沿一个方向传播的平面波通过旋转的所述声学超结构后，形成与所述声学超结构相同的拓扑荷数的涡旋声束。
[0015]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：所述声学超结构旋转的方向与产生涡旋声束旋转的方向相同为波矢减小方向，相反为波矢增加方向。
[0016]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：还具有二端口声学隔离器的功能。
[0017]如上所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，进一步地：所述声学超结构的一侧设有扬声器，另一侧设有麦克风。
[0018]本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于：本专利技术基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，结构简单，隔离速度快，高转化率，高隔离率，并且可以在较宽的频率范围内实现声学非互易和声学隔离。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术实施例中非互易声学装置结构示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例中具有螺旋梯度且能产生涡旋声束结构示意图，其中，图2(a)为圆柱状且内设有螺旋梯度的声学超结构，图2(b)为该超结构展开后的内部结构。
[0022]图3为本专利技术实施例中数值模拟的声学非互易与转速的关系图。
[0023]图4为本专利技术实施例中数值模拟的旋转多普效应的频谱图。
[0024]图5为本专利技术实施例中入射频率为2016Hz时，数值模拟的声场分布。
[0025]图6为本专利技术实施例中转速为6rad/s，数值模拟的声场分布。
[0026]其中：1、圆形波导管；2、超结构；3、轴承；4、麦克风；5、传动装置；6扬声器。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0028]实施例：
[0029]需要说明的是，本专利技术实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0030]如图1所示，本专利技术的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，包括超结构，并且超结构固定与轴承之中，通过传送带将超结构与电机相连，实现超结构的轴向旋转，同时，所述超结构两端与圆形波导相连。声波由一侧扬声器激发进入波导，当超结构的旋转方向与涡旋声束同向，且转速满足方程(1)时，透射声波将会发生隔离。此时超结构同时实现了模态转化和旋转多普勒效应。
[0031][0032]其中ω0为入射角频率，l为拓扑荷数，Ω为角速度，c为声速，k
m,n
为圆波导的临界波矢。
[0033]再次参见图1，声学超结构的一侧设有扬声器，另一侧设有麦克风，扬声器就是积发声波，通过外加电信号激励扬声器中薄膜的振动，麦克风探测透射信号，通过声波对麦克风中薄膜的振动，将力学信号转变为电信号，最后通过数据采集卡进行接收。
[0034]如图2所示，在此以级联式的亥姆霍兹腔为例，形成具有螺旋梯度且能实现模态由0模向1模转化的超结构。
[0035]在本专利技术中入射波的波矢必须大于波导的临界波矢，并且波导的临界波矢k
m,n
与波导的半径成反比，因此对于较高的拓扑荷数、较小半径的波导、较低激发频率的声波更加容易实现声学非互易和声学隔离。
[0036]图3以半径50mm，临界波矢k
m,n
＝36.8rad/s，临界频率f
m,n
＝2010Hz为例，入射频率范围2010Hz
‑
2300Hz(入射频率的范围仅与超结构的设计有关)。从图3中可以看出,当入射频率大于临界频率时，实现了0模向1模的转化，即红色实线箭头所示，并且转化效率可达到100％。当超结构相对涡旋声束反向转动时，如图4箭头所示，形成旋转多普勒效应，并且此时声波可正常透射，如图3红色虚线箭头所示。互换声源与探测器的位置，超结构相对涡旋声束反向旋转(不改变实际转动方向)，造成透射波能量降低，如图3蓝色虚线箭头所示。因此当入射频率为2016Hz，角速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，其特征在于：包括：声学超结构，其内部具有螺旋梯度；圆形波导，其设置在所述声学超结构的两侧；以及，传动件，其用于驱动所述声学超结构绕其轴心转动，其中，入射声波透过轴向旋转的所述声学超结构后，形成具有确定拓扑荷数的涡旋声束。2.根据权利要求1所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，其特征在于：旋转的所述声学超结构用于产生旋转多普勒效应。3.根据权利要求1所述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，其特征在于：旋转的所述声学超结构用于同时实现拓扑荷数的转化和波矢的偏置。4.根据权利要求3述的基于旋转多普勒效应的非互易声学装置，其特征在于：所述偏置按照如下方式施加：沿一方向传播的平面波通过静止或与涡旋声束反向旋转的超结构时完全透射，沿相反方向传播的平面波通过与涡旋声束同向旋转的超结构时完全阻断。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：顾敏，王泉森，刘冬梅，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：