[发明专利]有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种声传播装置，特别是一种基于有源控制的单向声传播装置。

背景技术

单向声传播装置是指声波只能由该装置的一侧传播至另一侧，而反向无法通过的装置，它有广阔的应用前景。在潜艇或水下武器的声探测方面，现有手段主要分为两类：基于采集水下结构自身辐射声的被动方式和基于接收结构散射声的主动方式。使用单向声传播装置，可同时抑制向外传播的辐射声和散射声，有利于提高水下结构的声隐身性能；将单向声传播装置安装在墙壁表面，可用于建造低截止频率的消声室；将单向声传播装置应用于防窃听系统，可有效阻断谈话信息向外界的传播。

现有的有关单向声传播装置的研究主要集中在强非线性声学介质方面，其代表为“声二极管”，是利用基波和二次谐波在超晶格结构与强非线性声学介质的组合系统中的传播特性差异，来实现声整流效应，即单向传播。目前已经建立了“声二极管”的理论模型(B.Liang,B.Yuan and J.Cheng,2009,Acoustic Diode:Rectification of Acoustic Energy Flux in One-Dimensional Systems,Physical Review Letter 103,104301)，并在实验室利用超晶格结构与医学超声造影剂微泡构建了一维的声二极管器件(B.Liang,X.S.Guo,J.Tu,D.Zhang,J.C.Cheng,2010,An acoustic rectifier,Nature Materials 9,989–992)，但仅对若干个离散频率点有效。总体而言，在使用声学介质实现单向声边界的研究方面，理论、数值模拟甚至初步的实验已经取得了相应进展，但所涉及的声学介质离实际的实现和应用还有一定距离。

近二十年来，随着电子技术、信号处理、控制理论和换能器技术的发展，基于声场叠加原理的有源技术被广泛应用于声场控制领域。最近的研究结果表明，有源技术不仅可用于声场控制，也可用于控制声波在介质中的传播特性。Collet等(M.Collet,P.David and M.Berthillier,2009,Active acoustical impedance using distributed electrodynamical transducers,Journal of the Acoustical Society of America 125,882-894)利用电动传感器阵列设计了有源声阻抗层，可以改变声波在常规介质中的传播和反射性质。Howarth等(T.R.Howarth,V.K.Varadan,X.Bao and V.V.Varadan,1992,Piezocomposite coating for active underwater sound reduction,Journal of the Acoustical Society of America 91,823-831)使用压电复合材料实现了物体表面的阻抗匹配，并可根据入射波的变化实时调整。为了在水下波导管中产生无反射的行波，Finneran和Hastings(J.J.Finneran and M.C.Hastings,1999,Active impedance control within a cylindrical waveguide for generation of low-frequency,underwater plane traveling waves,Journal of the Acoustical Society of America 105,3035-3043)利用有源阻抗控制法在管道末端获得了低于0.05的低频反射系数。Corsaro等(R.D.Corsaro,B.Houston and J.A.Bucaro,1997,Sensor—actuator tile for underwater surface impedance control studies,Journal of the Acoustical Society of America 102,1573-1581)将压电作动器、声压传感器、声质点速度传感器等集成在1.6cm厚，25cm见方的结构上，研制了一种基于阻抗匹配的消声瓦。以上有源声阻抗控制的本质是在初级声场中引入控制声源，使总声场在特定区域，如物体表面，形成特殊的阻抗特性。由此可见，在常规线性声学介质中引入控制声源，可形成特殊的声学传播特性。

发明内容