利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置及验证方法

本发明涉及利用声人工结构调控声能量控制技术，尤其涉及利用nes实现声能量大非互易传递的结构声装置及验证方法。

背景技术：

1、在弹性介质中，由于缺乏实现电磁整流偏置的效应，弹性介质系统都严格遵循瑞利互易定理。系统的互易性阻碍了声波不对称单向传递的实现，如果实现声能量的不对称大非互易传递，就可以设计出声二极管、声单向透镜、隔声体和拓扑绝缘体等新型声学元件。在电磁学中，由于二极管的出现，引发了第二次工业革命，上述新型声学元件同样在声通信、声纳系统结构设计、噪声控制、成像控制等领域具有广泛的应用价值，是结构声学、声学超材料领域的研究热点。

2、非线性声系统具有分岔、随系统能量变化的共振频率等线性系统不具有的特性，因而可实现声能量的大非互易传递。cochelin等学者研究了结构声系统中的能量转移现象，将大振幅非线性薄膜与线性声系统相耦合，构建了非线性能量阱实现了声系统中的靶向目标能量转移，研究表明利用非线性能量阱机理可以实现声波的定向传递，为低频噪声控制提供了新的方法。

3、公开号为cn 112857553 a发明的耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法，结合薄膜非线性能量阱的靶向能量传递特性进一步地抑制了声腔内的低频噪声。公开号为cn 114758642 a发明的一种基于电声非线性能量阱的薄板辐射噪声抑制装置，通过增加电声结构并优化设计背腔体积、扬声器背腔体积、反馈增益等参数，使非线性能量阱最优靶能量传递现象的激励下阈值减小了19倍。但以上方案主要研究的都是声能量单方向的抑制或传递，并未对声能量的双向传递进行研究。

4、公开号为cn 114613349 a发明的实现声能量非互易传递的duffing振子型结构声装置，利用非线性薄膜简化为单自由的duffing振子在弱非线性区的非线性共振和强非线性区的分岔机理实现了声能量的非互易传递，为空气介质中声能量非对称传递提供了新思路，但该方案是单自由度系统的声能量传递，未开展两自由度或多自由度系统具有非线性能量阱机理的声非互易能量传递的研究。

技术实现思路

1、为现有声能量非互易传递装置研究的进一步发展，提出了一种利用nes实现声能量大非互易传递的结构声装置，为空气介质中实现声能量非互易传递以及管道低频噪声控制提供了新方法。

2、本发明采用的技术方案是：利用nes实现声能量大非互易传递的结构声装置，包括管道(2)、薄膜(5)、以及不同尺寸的正方体声腔一(1)、正方体声腔二(4)和正方体声腔三(6)，所述管道(2)的长度远远大于其直径，管道(2)的两端分别与声腔一(1)、声腔二(4)密封连接，且声腔一(1)通过管道(2)与声腔二(4)连通；

3、所述声腔二(4)居中叠放安装在声腔三(6)的顶面上，声腔二(4)顶面设有便于安装薄膜(5)的端盖(3)，端盖(3)与声腔二(4)密封连接；声腔二(4)与声腔三(6)连接的壁面居中处开有连通声腔二(4)和声腔三(6)的通孔三(h3)，通孔三(h3)内密封连接有薄膜夹具(7)；薄膜夹具(7)包括环形上夹盖和环形下夹盖，薄膜(5)夹持在上夹盖和下夹盖之间，薄膜夹具(7)和薄膜(5)完全遮蔽通孔三(h3)；所述声腔一(1)远离管道(2)的一侧表面开有通孔一(h1)，声腔三(6)朝向管道(2)的一侧表面开有通孔二(h2)；声腔一(1)、管道(2)、声腔二(4)和声腔三(6)里传输介质均为空气；

4、当正向激励时体积速度声源通过通孔一(h1)与声腔一(1)连接，并密闭通孔二(h2)；正向激励时所述装置内部形成内共振，声能量发生靶向目标能量转移，从线性振子管道(2)不可逆且高效地传递至非线性振子薄膜(5)，并由薄膜(5)向声腔三(6)传递，在声腔三(6)中可以测得较高的响应声压；

5、当反向激励时体积速度声源通过通孔二(h2)与声腔三(6)连接，并密闭通孔一(h1)，且输入声波波长远大于正方体声腔一(1)、正方体声腔二(4)和正方体声腔三(6)的尺寸；反向激励时所述装置未发生内共振，大部分声能量仍停留在声腔三(6)中，声能量传递效率低，在声腔一(1)中测得的响应声压较低；当正向激励和反向激励时系统响应存在较大差异时，所述装置存在大非互易性。

6、进一步，所述管道(2)采用不锈钢制成，管道(2)内径的截面半径为17.5mm，管道(2)的长度为1.75m；所述声腔一(1)、声腔二(4)和声腔三(6)均采用亚克力制成，且均呈正方体形；声腔一(1)和声腔二(4)的腔体边长均为0.2m，声腔三(6)的腔体边长为0.3m；薄膜(5)采用硅胶制成，薄膜(5)的厚度为0.1mm，薄膜(5)的半径为19mm。

7、进一步，给定管道的半径rt、管道的长度l、薄膜的半径rm、薄膜的密度ρm、薄膜的厚度h、薄膜的泊松比v、薄膜的杨氏模量e、薄膜的阻尼系数η、正方形声腔一的体积v1、正方形声腔二的体积v2、正方形声腔三的体积v3、声源激励幅值qs、激励频率ωs、空气密度ρa和声速c0，进行理论建模，然后进行仿真和实验验证，步骤如下：

8、1)分别建立管道、非线性薄膜和声腔三类组成单元的理论模型、三类单元耦合而成的系统控制方程表达式以及声能量的非互易量的判定式：

9、管道的理论模型：由于管道的长度远大于其直径，因此可被假设为一维波导，分别假设ua和px为管道末端声介质位移和管道内声压，结合声波波动方程和rayleigh-ritz简化，并引入空气阻尼系数cf，可获得管道控制方程：

10、

11、其中，

12、

13、薄膜的理论模型：采用von karman非线性板壳模型，结合kelvin-viogt粘弹性本构模型，建立薄膜的控制方程；然后采用抛物线函数作为薄膜一阶模态振型函数，通过rayleigh-ritz降价建模方法，获得非线性薄膜的控制方程：

14、

15、其中qm为薄膜中心的横向位移，pm为薄膜所受的声压；f1m为有预应力时薄膜的线性一阶固有频率，由实验测量获得，f0m为无预应力的薄膜的共振频率；k1和k3分别为薄膜的线性刚度和立方非线性刚度,sm为薄膜的面积；ma0是薄膜大振幅运动带动周边空气运动的附加质量，根据实验结果确定；其他参数由下列公式给出：

16、

17、声腔的理论模型：当声波波长远大于声腔尺寸，刚性壁封闭声腔内的声压可认为是均布的，可获得声腔内声压方程：

18、

19、结合公式(1)、(3)和(5)可得系统控制方程：

20、正向激励时：

21、

22、

23、反向激励时：

24、

25、

26、其中，

27、

28、正向激励时正方形声腔三(6)为响应声腔，反向激励时正方形声腔一(1)为响应声腔，其腔内声压分别为：

29、

30、

31、装置系统声能量传递的互易量nr由下式定义：

32、

33、可根据公式(11)判定该装置是否是大非互易系统。

34、本发明的原理是：在固定频率激励下，管道2的一阶声模态共振可简化为单自由度线性振子，薄膜5的大变形振动可看作为非线性刚度占主要的非线性振子，管道2与薄膜5通过声腔二4中的空气以弱线性刚度进行耦合，因此该结构声系统可简化由线性振子和非线性振子构成的两自由度系统。通过理论研究分析，可以发现：在一定声源高激励范围内，正向激励时系统内部形成内共振，声能量发生靶向目标能量转移，从线性振子管道2不可逆且高效地传递至非线性振子薄膜5，并由薄膜5向正方形声腔三6传递，在正方形声腔三6中可以测得较高的响应声压；而反向激励时系统未发生内共振，大部分声能量仍停留在正方形声腔三6中，声能量传递效率低，在正方形声腔一1中测得的响应声压较低；由于正向和反向激励时系统响应存在显著差异，因此该声系统存在大非互易性。

35、根据声学系统中互易性的定义，本发明提出采用互换激励点和响应点的位置，然后根据两点响应声压比值来验证系统非互易性的方法，具体为在系统输入声源强度不变的情况下，把激励输入点和响应输出点的位置互换，分别测量互换前后响应点处的声压，然后通过这两处响应声压的比值，确定非互易量的大小，当两者的比值较大时，可以判定其为大非互易系统。

36、本发明的有益效果是：本发明利用结构声系统中的非线性能量阱机理，构建了能够实现声能量大非互易传递的结构声装置，为空气介质中实现声能量非互易传递提供了新的设计思路，在管道低频噪声控制领域具有重大应用价值。