管道内行波和驻波区域分离的控制方法
【专利摘要】管道内行波和驻波区域分离的控制方法,通过合理设计声阻抗不连续的位置和数值，在管道内把目标频率的声波分离为行波和驻波区域，即在管道的一端为声行波，另一端为声驻波。本发明可以在管道内控制目标频率的声波的能量传播方向，在有限长管道的一端获得无反射的声学边界条件，最大理论吸声系数可达到1，同时将声波能量限制在管道的另一端。
【专利说明】
管道内行波和驻波区域分离的控制方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及在管道内控制声能量的传播方向的技术领域，特别是涉及一种利用声 阻抗不连续，在管道内把目标频率的声波分离为行波和驻波区域，从而控制目标频率的声 波的能量传播方向的方法。
【背景技术】：
[0002] 在管道内，当声波频率低于最低截止频率时，声波为沿管道轴线传播的一维的平 面波。声波在管道内的传播，通常会由于管道内声阻抗的不连续，例如横截面的突变、旁支 管或末端声负载的存在，造成声波的反射。为了获得无边界反射的条件，通常在管道末端加 特殊的吸声材料或者微穿孔板吸声器，但最大理论吸声系数难以达到1。
【发明内容】
：
[0003] 本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种在有限长管道的一端获得无反射的 声学边界条件的控制方法。
[0004] 本发明通过合理设计声阻抗不连续的位置和数值，可以在刚性壁管道内把目标频 率的声波分尚为行波和驻波区域，控制目标频率的声波的能量传播方向，在有限长管道的 一端获得无反射的声学边界条件，最大理论吸声系数可达到1，同时将声波能量限制在管道 的另一端。
[0005] 本发明所述的管道内行波和驻波区域分离的控制方法，包括以下步骤：
[0006] 1)根据声波的角频率co,设计管道的横截面尺寸和长度L，使声波的频率低于管道 的最低截止频率。对于圆形截面管道，管道半径r应该满足
[0008]对于矩形截面管道，最大横截面尺寸a应该满足
[0010] 其中co为环境温度下的管内流体的声速。平面波声源从管道的一端入射，管道的 末立而为刚性纟而盖；
[0011] 2)设计声阻抗不连续的位置和数值，声阻抗可以写为实部声阻和虚部声抗之和
[0012] Zb = Rb+jXb
[0013] 声阻Rb和声抗Xb的位置和数值应满足如下关系：
[0014] Rb = P〇c〇cos2[ 0 (L-x0)/c0], (1)
(2)
[0016] 其中XQ(0〈XQ〈L)为声阻抗不连续与平面波声源的距离，P QCQ为管内流体的特性阻 抗。
[0017] 当设计的声阻抗不连续的位置和数值满足公式（1)_(2)时，角频率为co的声波在 声源到声阻抗不连续位置区域（[0，XQ])为行波，在声阻抗不连续位置到刚性端盖的区域 ([XQ，L])为驻波。声波的声能量一部分在声阻抗不连续处消耗，一部分传递到驻波区域，而 没有能量反射回到声源，相当于在有限长封闭管道内实现了无反射声学边界条件，最大理 论吸声系数为1。
[0018] 本发明通过合理设计声阻抗不连续的位置和数值，可以在管道内把目标频率的声 波分离为行波和驻波区域，即在管道的一端为声行波，另一端为声驻波。
[0019] 本发明的优点是:可以在管道内控制目标频率的声波的能量传播方向，在有限长 管道的一端获得无反射的声学边界条件，最大理论吸声系数可达到1，同时将声波能量限制 在管道的另一端。
【附图说明】：
[0020] 图1是实施本发明方法的声波行波和驻波区域分离管道的示意图，其中1-平面波 声源，2-管内流体，3-声阻抗不连续，4-刚性壁端盖；
[0021] 图2显示管道内理论声压相位和幅值分布，其中声波频率《 =5.7JIC0,空气密度P0 =1.22kg/m3，声速co = 340.4m/s，管道长度为lm，直径为100mm，声阻抗不连续距离声源位置 x〇 = 0.7m，声阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg ? s/m2,管道内理论的声压相位和幅值分布：图 2a是归一化声压相位的空间分布不意图；图2b是归一化声压幅值分布不意图；
[0022]图3显示声音能量随时间和空间的变化，中声波频率《 =5.7JIC0,空气密度P〇 = 1.22kg/m3,声速c〇 = 340.4m/s，管道长度为lm，直径为10〇1111]1，声阻抗不连续距离声源位置1〇 = 0.7m，声阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg?s/m2，图3a表示声压动能随时间和位置的变化 ； 图3b表示总声能量随时间和位置的变化。
【具体实施方式】：
[0023] 下面参照附图和具体实例，进一步说明本发明：
[0024] 本发明所述的管道内行波和驻波区域分离的控制方法，利用声阻抗不连续把目标 频率声波分离为行波和驻波区域，包括以下步骤：
[0025] 1)根据声波的角频率co,设计管道的横截面尺寸和长度L，使声波的频率低于管道 的最低截止频率。
[0026]在本例中，假设环境温度为15°C，管道内流体为空气，空气声速co约为340.4m/s， 密度Po约为1.22kg/m3。假设目标声波的角频率为《=5.71〇,选择圆形截面管道，则管道的 半径应该满足
[0028] 取直径为100mm的刚性壁圆形截面管道，长度L为lm，则目标频率的声源以平面波 的形式在管道内传播；
[0029] 2)设计声阻抗不连续的位置和数值。在本例中，取XQ = 0.7m，根据公式（1)-(2)，计 算声阻抗的数值。在本例的参数下，声阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg?s/m 2;
[0030] 3)本例中，当在管道内实现行波和驻波的分离时，理论的声压相位的空间分布如 附图2a所示，线性的相位部分代表行波区域，同相位或反相位部分代表驻波区域;理论的声 压的幅值分布如附图2b所示，各位置声压幅值相等部分代表行波区域，存在声压节点部分 代表驻波区域。这样，管道内特定频率的声波，从声阻抗不连续处被分离为行波区域和驻波 区域。在声阻抗不连续处的理论吸声系数为1，实现了无边界反射的条件。
[0031 ] 4)本例中，当在管道内实现行波和驻波的分离时，声压动能随时间和位置的变化 如附图3a所示，左边为以行波形式入射的声压动能，右边为以驻波形式存在的声压动能;总 声能量随时间和位置的变化如附图3b所示，左边为以行波形式入射的声能量，右边为以驻 波形式存在的声能量，声能量在声阻抗不连续，一部分能量被消耗，一部分能量传到驻波区 域，而没有声能量被反射回声源，实现了管道内声能量的传播方向的控制。
【主权项】
1.管道内行波和驻波区域分离的控制方法，包括以下步骤： 1) 根据声波的角频率ω，设计管道的横截面尺寸和长度L，使声波的频率低于管道的最 低截止频率;对于圆形截面管道，管道半径r满足对于矩形截面管道，最大横截面尺寸a应该满足其中c〇为环境温度下的管内流体的声速。平面波声源从管道的一端入射，管道的末端为 刚性端盖； 2) 设计声阻抗不连续的位置和数值，声阻抗可以写为实部声阻和虚部声抗之和 Zb=Rb+jXb 声阻Rb和声抗Xb的位置和数值应满足如下关系： Rb = Pococos2[ ω (L-xo)/co], (1)其中XQ(0〈XQ〈L)为声阻抗不连续与平面波声源的距离，Poco为管内流体的特性阻抗； 当设计的声阻抗不连续的位置和数值满足公式（1)-(2)时，角频率为ω的声波在声源 到声阻抗不连续位置区域（[〇，xo])为行波，在声阻抗不连续位置到刚性端盖的区域（[xo， L])为驻波;声波的声能量一部分在声阻抗不连续处消耗，一部分传递到驻波区域，而没有 能量被反射回到声源，相当于在有限长封闭管道内实现了无反射声学边界条件，最大理论 吸声系数为1。
【文档编号】G06F19/00GK105930650SQ201610243137
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】肖永雄, 张瑶, 卢奂采, 劳伦斯·伯格曼
【申请人】浙江工业大学