[发明专利]基于线性或者角动量偏置的非互易式声学装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年8月21日提交的美国临时专利申请序列号 61/868,178“Non-ReciprocalAcousticDevicesBasedonAngular MomentumBiasing”的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。

政府利益

依据美国国防威胁降低局批准号HDTRA1-12-1-0022的条款，美国 政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明大体上涉及非互易式装置(non-reciprocaldevices)，并且更加 具体地涉及基于角动量偏置的非互易式声学装置。

背景技术

波传播的非互易性是一种源自时间反演对称性破缺(time-reversal symmetrybreaking)的介质的迷人特性。根据卡西米尔-翁萨格 (Casimir-Onsager)原理，要使装置是非互易式的，则其散射矩阵(scattering matrix)必须取决于时间反演上的奇数矢量。例如，在这种非互易式装置 (例如，隔离器、二极管)中，波在一个方向上完全传输并且在另一个 方向上完全反射。近来，已经讨论过多种在线性装置中实现单向声音传 播的提议，但是大多数这些构思均使用了非对称的线性结构，而非对称 的线性结构无任何类型的奇数矢量偏置，使得该装置在时间反演上完全 对称并且因此完全是互易式的。这些线性装置表现为非对称模式的转换 器，而不是隔离器。这些线性装置不可以用于进行声音隔离，这是因为， 如果使输入和输出逆转，如起到在两个端口之间的二极管的作用的装置 所要求的，则从严格意义上讲，传播是互易式的。

实现声学非互易性并且适合用于进行隔离的可行方案是使用非线 性介质。例如，我们可以将声子晶体(phononiccrystal)与能够转换波的频 率的非线性介质组成一对。一方面，由于晶体是在带隙(bandgap)中操作， 所以对波进行反射。另一方面，将波频率转换为晶体的传播带中的值， 并且因此通过该结构传输。然而，该方案需要非常高的输入功率并且难 以与在线性声学中通常碰到的低强度信号一起有效地操作。作为另外的 缺陷，尤其是对于声波是有问题的，该方案大幅地更改了信号的频率。 尽管，在原则上，物理定律允许在线性系统中进行非互易式传播。磁偏 置可以诱导非互易性，就如在声学法拉第效应的情况下一样，但是磁声 学效应较弱并且可能需要比波长大很多的大型装置。已经提出用机械运 动来实现声学回转器(非互易式移相器)，但是在磁偏置的情况下，所 获得的装置非常庞大并且严格限于管道上的横波。仍然不存在一种线性 的紧凑的声学非互易式装置的方案，用于气体(例如，空气)中的纵波， 并且高度适用于听得见的声音的隔离。

发明内容

在本发明的一个实施例中，非互易式装置包括：具有角动量偏置的 方位对称的声学腔。该非互易式装置进一步包括连接至所述方位对称的 声学腔的多个声学波导，其中，多个声学波导中的每一个均与输入端口 和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述多个声学波导中的 第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。方位对称的声学 腔按照如下方式进行偏置：诱导声波完全传输至所述多个声学波导中的 第二声学波导的输出端口并且声波不会传输至所述多个声学波导中的 第三声学波导的输出端口。

在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括：具有角动量偏置 的声学腔，其中，该声学腔由彼此联接的子腔组成，以及其中，该角动 量偏置由子腔的声学特性的时间调制来实现。该非互易式装置进一步包 括连接至所述声学腔的多个声学波导，其中，所述多个声学波导中的每 一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述 多个声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激 发。声学腔按照如下方式进行偏置：诱导声波完全传输至所述多个声学 波导中的第二声学波导的输出端口，并且声波不会传输至所述多个声学 波导中的第三声学波导的输出端口。