CN116261089A - 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 - Google Patents
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Abstract
利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置，包括声腔一、管道、声腔二、薄膜和声腔三，管道两端分别与声腔一和声腔二连接，声腔二居中安装在声腔三的顶面上，两声腔连接的居中处设有通孔三；薄膜通过夹具安装在声腔二与声腔三之间，并完全遮蔽通孔三。声腔一与声腔三侧面分别开有通孔一和通孔二，正向激励时体积速度声源通过通孔一与声腔一连接，并密闭通孔二；反向激励时体积速度声源通过通孔二与声腔三连接，并密闭通孔一。本发明还提供利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置的验证方法。本发明利用正向激励时发生靶向能量转移，而反向激励时没有靶向能量转移的特性，实现了声能量的大非互易传递，为管道低频噪声控制提供了方法。
Description
技术领域
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
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***都严格遵循瑞利互易定理。***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***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。
非线性声***具有分岔、随***能量变化的共振频率等线性***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***中的能量转移现象，将大振幅非线性薄膜与线性声***相耦合，构建了非线性能量阱实现了声***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。
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。
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***的声能量传递，未开展两自由度或多自由度***具有非线性能量阱机理的声非互易能量传递的研究。
发明内容
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。
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；
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；
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；
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***响应存在较大差异时，所述装置存在大非互易性。
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。
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：
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***控制方程表达式以及声能量的非互易量的判定式：
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：
其中，
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：
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：
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：
结合公式(1)、(3)和(5)可得***控制方程：
正向激励时：
反向激励时：
其中，
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：
装置***声能量传递的互易量NR由下式定义：
可根据公式(11)判定该装置是否是大非互易***。
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***可简化由线性振子和非线性振子构成的两自由度***。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***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***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***响应存在显著差异，因此该声***存在大非互易性。
根据声学***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***非互易性的方法，具体为在***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***。
本发明的有益效果是：本发明利用结构声***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。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明薄膜夹具的结构示意图。
图3是本发明装置简化的两自由度***示意图。
图4是本发明装置在相同频率，不同源强激励下薄膜平均速度的实验和仿真结果曲线对比图。
图5是本发明装置在相同频率，不同源强激励下响应声压的实验和仿真结果曲线对比图。
图6是本发明装置在相同频率，不同源强激励下声能量非互易量的实验和仿真结果曲线对比图。
附图标记说明：1、声腔一；2、管道；3、端盖；4、声腔二；5、薄膜；6、声腔三；7、薄膜夹具。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，所述装置由声腔一1、管道2、声腔二4、薄膜5和声腔三6组成；管道2两端分别与声腔一1和声腔二4进行密封连接，声腔二4居中安装在声腔三6的顶面上，声腔二4顶面设有端盖3用以方便安装薄膜5，端盖3与声腔二4通过密封圈和螺栓进行密封连接；声腔二4与声腔三6连接的居中处设有通孔三H3，薄膜5通过夹具安装在声腔二4与声腔三6之间，并完全遮蔽通孔三H3，薄膜夹具7通过螺钉和密封圈与声腔进行密封连接。声腔一1与声腔三6侧面分别开有通孔一H1和通孔二H2，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，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。
声腔和管道里的传输介质均为空气。管道2材料为不锈钢，管道2内径的截面半径为17.5mm，管道2长度为1.75m；声腔材料均为亚克力，且均为正方形，其中声腔一1和声腔二4的腔体边长皆为0.2m，声腔三6的腔体边长为0.3m；薄膜5材料为硅胶，薄膜5厚度为0.1mm，薄膜5的作用半径为19mm。
如图2所示，所述薄膜夹具7由上下两部分构成，薄膜均匀平整地安装在夹具中间，以减少安装时产生的预应力，同时为保证薄膜边界条件的稳定性，需要在夹具内环安装橡胶垫；然后夹具上下两部分通过螺钉进行紧固。
如图3所示，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***可简化由线性振子和非线性振子构成的两自由度***。在一定声源强度激励范围内，正向激励时***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；反向激励时***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；由于正向和反向激励时***响应存在显著差异，因此该声***存在大非互易性。
基于权利要求1或2所述的利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置验证方法，其特征在于：给定管道2的半径Rt、管道2的长度L、薄膜5的半径Rm、薄膜5的密度ρm、薄膜5的厚度h、薄膜5的泊松比υ、薄膜5的杨氏模量E、薄膜5的阻尼系数η、正方形声腔一1的体积V1、正方形声腔二4的体积V2、正方形声腔三6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：
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***控制方程表达式以及声能量的非互易量的判定式：
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：
其中，
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：
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：
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：
结合公式(1)、(3)和(5)可得***控制方程：
正向激励时：
反向激励时：
其中，
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：
装置***声能量传递的互易量NR由下式定义：
可根据公式(11)判定该装置是否是大非互易***。
本发明分别建立管道、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***控制方程表达式以及声能量的非互易量的判定式：
本发明中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为公式(1)。
本发明中薄膜的振动是大幅度的，线性理论将不再适用，因此采用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为公式(3)。
本发明中声腔尺寸远小于声波波长，因此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为公式(5)。
结合以上分别建立的各部件理论模型，可获得***在正向和反向激励时的***控制方程分别为公式(6)和公式(7)、响应声腔的声压响应公式分别为公式(9)和(10)。***声能量传递的互易量NR由公式(11)定义。
***声能量传递可通过公式(11)计算***非互易量的大小，来可以判定其是否为非互易***。
实验中通过低源强激励下扫频测得到薄膜的一阶固有频率为62Hz；薄膜的非线性立方刚度通过对薄膜大变形数据的测量结果拟合确定，本发明中采用100um厚度的PDMS薄膜，通过拟合实验数据得其立方非线性刚度k3为3.0×106N/m3。
实验中为了输出高源强激励，设计了由8英寸的JL Subwoofer和Brüel&
的体积速度源强探头组成的高源强体积速度声源；采用Brüel&/>
的1/4英寸传声器测量正向、反向激励时***的响应声腔以及管道中心点的声压；采用激光多普勒测振仪(型号：Polytech PSV400)测量薄膜中心点的振动速度。
实验结果和理论研究结果分析：
如图4至图6所示，在低源强激励下，薄膜平均速度以及响应声压随着输入源强的增加几乎都接近线性增加，此时***存在较低的声能量非互易量。但由于***存在非线性，管道声压响应被非线性薄膜的硬化效应所限制，输入源强越大管道声压响应被限制的现象越明显，直到输入能量超过门槛值，***进入强非线性相互作用区，声能量非互易量达到最大值。在高源强激励下，反向激励时薄膜平均速度以及响应声压仍线性增加，而在正向激励时，薄膜平均速度以及响应声压却平缓增加，声能量非互易传递量减少。
图4至图6中理论分析结果和实验结果总体上是吻合的，验证了***理论模型，并揭示了该结构声装置实现声能量非互易传递的机理，实现了接近3.5倍的声能量大非互易传递效果，为管道低频噪声控制提供了新方法。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置，其特征在于：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；
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；
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；
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***响应存在较大差异时，所述装置存在大非互易性。
2.如权利要求1所述的利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置，其特征在于：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。
3.基于权利要求1或2所述的利用NES实现声能量大非互易传递的结构声装置验证方法，其特征在于：给定管道(2)的半径Rt、管道(2)的长度L、薄膜(5)的半径Rm、薄膜(5)的密度ρm、薄膜(5)的厚度h、薄膜(5)的泊松比υ、薄膜(5)的杨氏模量E、薄膜(5)的阻尼系数η、正方形声腔一(1)的体积V1、正方形声腔二(4)的体积V2、正方形声腔三(6)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：
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***控制方程表达式以及声能量的非互易量的判定式：
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：
其中，
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：
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：
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：
结合公式(1)、(3)和(5)可得***控制方程：
正向激励时：
反向激励时：
其中，
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：
装置***声能量传递的互易量NR由下式定义：
可根据公式(11)判定该装置是否是大非互易***。
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