本发明涉及声学亥姆霍兹共振、声传播控制技术、声散射块偏置结构和声学超结构，尤其涉及一种非对称声传播三角形超结构。
背景技术：
管路系统中声波控制是目前管道声学的所面临的重要挑战。管道本身并不产生噪声，而是由所连接的通风机、鼓风机、压缩机、水泵、油泵及汽轮机等设备所产生的噪声，通过管道中的介质和管道本身传递。此外，流体在管道中由于湍流而产生流动噪声，流动噪声将随流动速度增大而增大。对管道声波进行控制，能有效的阻断噪声的传播，降低管道噪声对周边环境的影响。另外，对管道噪声的传播路径进行控制，使得声波按照预先设定的路径传播，到达预的区域，能极大拓展现有声传播控制技术。目前通过旋转空气能有效地实现管道声波沿任意路径传播，但因其稳定性及内在噪声，严重影响其声波控制的鲁棒性和可靠性，难以实现其工程应用。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种非对称声传播三角形超结构，在管道内控制声音传播，实现声音的定向定点传播。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种非对称声传播三角形超结构。非对称声传播三角形超结构：包括一个偏置的正三棱柱，二十一个正三角形共振腔，一个三条边分别接有三个矩形波导的正三角形空腔。每一个正三角形共振腔由六个相同的直角三角形亥姆霍兹共振腔构成。亥姆霍兹共振腔的细管与正三角形空腔连通。
作为本发明的非对称声传播三角形超结构的改进：非对称声传播三角形超结构采用正三角形空腔。
作为本发明的非对称声传播三角形超结构的进一步改进：正三角形空腔的三条边分别接有一矩形波导。
作为本发明的非对称声传播三角形超结构的进一步改进：正三角形空腔的内部有偏置正三棱柱。
作为本发明的非对称声传播三角形超结构的进一步改进：偏置的正三棱柱的外围为二十一个正三角形共振腔。
作为本发明的非对称声传播三角形超结构的进一步改进：正三角形共振腔由六个相同的直角三角形亥姆霍兹共振腔组成。
本发明与背景技术相比，具有益的效果是：
该非对称声传播三角形超结构可采用刚度较大的材料(如钢铁和铝合金等)加工而成，生产成本较低。本发明的非对称声传播三角形超结构使得声波在正三角形声腔内可通过正三棱柱偏置而挤压的空间。本发明的非对称声传播三角形超结构使得声波可在正三棱柱偏置方向的两个矩形波导间传播。本发明的非对称声传播三角形超结构可组装成二维声传播网络，并通过调节非对称声传播三角形超结构内部正三棱柱的偏置方向，控制声传播方向，实现声音沿任意路径传播。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的一种非对称声传播三角形超结构；
图2是本发明的一种非对称声传播三角形超结构bravais正方形点阵的正格子和倒格子图；
图3是本发明的一种非对称声传播三角形超结构的能带结构；
图4是本发明的一种非对称声传播三角形超结构的声压模态图；
图5是本发明的一种非对称声传播三角形超结构的传递函数及声压场分布图。
图6是本发明的非对称声传播三角形超结构组装成的二维声传播网络，并标出其中一种声传播路径。
具体实施方式
图1给出了一种非对称声传播三角形超结构。非对称声传播三角形超结构为正三角形。1为一个偏置的正三棱柱。柱体外围为二十一个正三角形共振腔(2-22)。二十一个正三角形共振腔(2-22)的外部为一个正三角形空腔23。一个正三角形空腔23的三条边分别接有矩形波导24、25和26。每个正三角形共振腔包含六个相同的直角三角形亥姆霍兹共振腔(27-32)。
本发明的分形吸声超结构工作原理如下：
(1)该非对称声传播三角形超结构的几何参数为l1＝43.301mm，l2＝214.77mm，l3＝77.942mm，x＝43.301mm，a＝34.641mm，b＝1mm，c＝1mm，t＝1mm。
(2)如图2所示，取两个非对称声传播三角形超结构为一个单胞，将单胞置于晶格常数为664.77mm的bravais六角点阵中。bravais六角点阵的基失为e＝(e1,e2)。任何其他原胞都可以定义为一组整数对(n1,n2)。当n1＝0和n2＝0时，表示初始原胞。其他任何原胞都可以沿e1方向平移n1步，沿e2方向平移n2步而获得。
初始原胞中格点r的响应可表示为u(r)。由于bravais六角形点阵是周期性的，因此原胞(n1,n2)的声压也是周期性的：
u(r)＝u(r+rn)(1)
其中rn＝n1e1+n2e2为正格失。
周期性函数u(r)的fourier级数形式可表示为：
将公式(2)代入公式(1)可得：
gj·rn＝2πk(3)
其中gj为倒格失，其基失可表示为
(3)采用有限元法计算该结构的能带结构图。具有线性弹性、各向异性且非均匀介质的弹性波动方程可表示为：
其中r＝(x,y,z)表示位失；u＝(ux,uy,uz)表示位移向量；
当弹性波为简谐波时，位移向量u(r,t)可表示为：
u(r,t)＝u(r)eiωt(5)
其中
▽[c(r):▽·u(r,t)]+ω2ρ(r)u(r)＝0(6)
由于在流体中仅存在纵波，因此流体的简谐声波方程可表示为：
其中cl(r)为纵波的波速；p(r)表示流场压力。
流固耦合界面需满足法向质点加速度和法向压力连续性条件：
其中nf和ns表示流固耦合表面流体和固体的法向向量；v表示质点振动速度；pf表示流场压力；σij表示固体的应力分量。
在空间上，bravais点阵是无限周期性的。采用bloch理论，位移向量u(r)和流场压力p(r)可分别表示为
其中k＝(kx,ky,kz)表示波失；uk(r)和pk(r)表示晶格点阵的周期性位移向量和周期性流场向量。在周期性边界上应用bloch-floquet条件，可采用有限元法在初始原胞中计算出该周期性结构的能带结构图。初始原胞的离散有限元特征值方程为：
其中ks和kf为固体和流体的刚度矩阵；ms和mf为固体和流体的质量矩阵；q为流固耦合矩阵。
为获得完整的能带结构，若结构单胞具有足够的对称性，理论上应计算所有波失k所对应的模态频率。在bloch理论中，倒格失中的波失k是对称且周期性的。因此，波失k可限定到倒格失的第一不可约brillouin区。此外，由于带隙的极值总出现在第一不可约brillouin区的边界处，因此波失k可进一步限定到第一不可约brillouin区的边界x→γ，γ→m和m→x。
(4)如图3所示，图a为非对称声传播三角形超结构中心正三棱柱不发生偏置时的能带结构图，图b为非对称声传播三角形超结构中心正三棱柱发生偏置时的能带结构图。通过对比，可明显地观察到正三棱柱不偏置时，该结构具有频率范围为[2310hz，2390hz]的带隙。该频段内，声波无法通过声腔在矩形波导间传播。当正三棱柱柱体偏置时，该结构的带隙发生变化。原带隙[2310hz，2390hz]分成两个新带隙[2310hz，2370hz]和[2373hz，2393hz]。在两个新带隙中间，产生一个新的通带[2370hz，2373hz]。在通带[2370hz，2373hz]内，声音可通过声腔在矩形波导间传播。
(5)非对称声传播三角形超结构的声压分布模态如图4所示。非对称声传播三角形超结构模态分布显示正三棱柱偏置方向的两个矩形波导是互相连通的，可实现声传播。
(6)非对称声传播三角形超结构的传递函数如图5所示。在频率为2371hz时，声波从超结构的上矩形波导进入，可经过正三棱柱挤压的空腔，进入右矩形波导。声波从上矩形波导到右矩形波导的传递效率为99.6％，而到左矩形波导的传递效率接近零。图(5b)显示当声波从左矩形波导入射时，声波无法传播到其他两个声矩形波导，即声传播被截止。非对称声传播三角形超结构可通过调节中心正三角形柱的偏置改变声传播的方向和传递效率。
(6)利用非对称声传播三角形超结构构成的网格(图6)，调节中心正三角形柱的偏置方向，可实现声波沿着预先设定的路径传播，并到达预定的目标区域。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，如正方形、等边六角形等。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。