一种能够产生声波单向反射的声学材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种能够产生声波单向反射的声学材料。
【背景技术】
[0002] 声波单向传播是声学中重要的技术，通常是引入非线性或时变系统来打破互易原 理。将一个方向上入射的声波改变其频率，使其落在滤波系统的通带上而得W传播;而另一 个方向上入射的声波则被滤波系统反射掉。之后，声波单向传播在线性系统中得到实现，主 要是改变两边入射声波的波矢方向。在之前的一系列工作中，主要是关注于声波的单向透 射，而作为一种基本的物理现象，如能实现声波的单向反射，将极具意义。
[0003] 因此，需要一种能够产生声波单向反射的声学材料W解决上述问题。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明针对现有技术中声波的单向反射的缺陷，提供一种能够产生声 波单向反射的声学材料。
[000引技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种能够产生声波单向反射的声学材料，在声学材料中选定相互垂直的X方向和y 方向，本发明的声学材料的声学参数具有如下分布：
[0007]
其中，Px为声学材料X方向的密度，Py为声学材 料y方向的密度，B为声学材料的弹性模量，P0和Bo分别是背景媒质的密度和弹性模量。
[000引更进一步的：
其中，的意义为Ρχ为近零分量，而在生产实践中，可 知Ρχ不可能完全为零，只能尽量趋近于零。经过测算可发现当Ρχ小于等于背景介质密度Bo的 百分之一即可有效实现单向反射。
[0009] 有益效果:本发明的能够产生声波单向反射的声学材料设计简单，容易实现，可W 产生高效率的声波隔离效果。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的能够产生声波单向反射的声学材料的结构示意图；
[0011] 图2是本发明所设及的声学材料的等频曲线图；
[0012] 图3是从底边分别入射到本发明所设及的声学材料上的声场仿真图；
[0013] 图4是从右边分别入射到本发明所设及的声学材料上的声场仿真图；
[0014] 图5从底边入射且没有障碍物的情况的声场参考图；
[0015] 图6从右边入射且有刚性障碍物的情况的声场参考图；
[0016] 图7是本发明的透射率数值模拟图；
[0017] 图8是本发明的反射率数值模拟图；
[0018] 图9是本发明的一种可行的设计方案。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明进行进一步说明。W下仅为本发明的较佳实施方式，本发 明的保护范围并不W上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所掲示内容 所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
[0020] 请参阅图1所示，本发明的能够产生声波单向反射的声学材料，在声学材料中选定 相互垂直的X方向和y方向，本发明的声学材料的声学参数具有如下分布：
[0021]
其中，为声学材料X方向的密度，Py为声学材 料y方向的密度，B为声学材料的弹性模量，P0和Bo分别是背景媒质的密度和弹性模量。
[0022] 其中：
其中，的意义为Px为近零分量，而在生产实践中，可知Px不可 能完全为零，只能尽量趋近于零。经过测算可发现当Px小于等于背景介质密度Bo的百分之一 即可有效实现单向反射。
[0023] 本发明的能够产生声波单向反射的声学材料设计简单，容易实现，可W产生高效 率的声波隔离效果。其中，声学材料等效密度接近背景媒质方向入射声波将透射，等效密度 近零方向入射声波将反射。且本发明的声学材料属于无源系统。
[0024] 如图1中Ξ角形区域所示，放置于背景媒质空气中。由于该材料独特的声学性质， 可W使得沿y轴正向传播的声波能较好的透射，而沿X轴负向传播的声波则被较好的反射。 从而，实现声波单向反射的效果。
[0025] 请参阅图2所示，本发明的声学材料可用如图的等频曲线所描述。图中，圆形曲线 所示为背景媒质，本发明中背景媒质为空气，而楠圆形曲线为密度各向异性的声学材料，且 其中一个分量近零，而另一个分量接近于背景媒质。声学材料有着各向异性分布的声学参 数。该种材料用等频方程可表示为
其中，k和ω分别是声波在背景 介质中的波数和角频率，并且，Ρχ 一 〇+，Py = P日和B = B〇eP日和Β日分别是背景媒质的密度和弹性 模量。由于其声学参数的空间上的不对称性，可W调制声波，使得不同入射方向上的声波受 到不同的调制。
[0026] 请参阅图3、图4、图5和图6所示，本发明的声学材料对不同方向入射声波的仿真结 果可如图所示。图3和图4分别是从底边和右边分别入射到本发明所设及的声学材料上。由 于材料独特的声学性质，底边入射的声波能够很好地透射，材料近似于透明；而右边入射的 声波则被很大程度的反射掉，材料近似于刚性。图5和图6是作为参考的声场，分别是从底边 入射且没有障碍物的情况和右边入射有刚性障碍物的情况。通过对比，可W发现，本发明所 设及的声学材料确实能够实现声波方向反射的效果。
[0027] 请参阅图7和图8所示，本发明的声学材料的透射效率和反射效率可如图所示。作 为定量的比较，数值计算了在一个较宽的入射角范围内，本发明所设及的声学材料的单向 反射效率。由图7和图8可W看出，无论是透射率还是反射率，都可W达到很高的效率。
[0028] 请参阅图9所示，本发明的声学材料可由一组膜型声学超材料构成的结构所实现。 纸膜可用于调控声波的相位，具有良好的动态范围，可W实现近零甚至负的等效密度。
【主权项】
1. 一种能够产生声波单向反射的声学材料，其特征在于：在声学材料中选定相互垂直 的X方向和y方向，本发明的声学材料的声学参数具有如下分布：其中，Px为声学材料X方向的密度，P y为声学材料y 方向的密度，B为声学材料的弹性模量，Po和Bo分别是背景媒质的密度和弹性模量。2. 如权利要求1所述的能够产生声波单向反射的声学材料，其特征在于：
【专利摘要】本发明公开了一种能够产生声波单向反射的声学材料，在声学材料中选定相互垂直的x方向和y方向，本发明的声学材料的声学参数具有如下分布：ρx→0+，和其中，ρx为声学材料x方向的密度，ρy为声学材料y方向的密度，B为声学材料的弹性模量，ρ0和B0分别是背景媒质的密度和弹性模量。本发明的能够产生声波单向反射的声学材料设计简单，容易实现，可以产生高效率的声波隔离效果。
【IPC分类】G10K11/28
【公开号】CN105448288
【申请号】CN201510766455
【发明人】梁彬, 顾仲明, 邹欣晔, 程建春
【申请人】南京大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月11日