基于OAM复用信号高效调制解调的声学超表面

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用是提高声学通信系统数据容量的一种潜在解决方案,提出一种利用声学超表面对OAM复用信号进行调制和解调的方法,利用该方法对独立声轨道角动量(Acoustic Orbital Angular Momentum,AOAM)信号的幅度和相位进行分析,并通过仿真实现对AOAM信号的调制和解调.AOAM信号的相位和幅度提供正交自由度,通过设计合适的声学超表面并将其与二进制差分相位编码技术相结合,证明其可以实现AOAM复用信号的有效调制和解调.正交声学螺旋模态可防止模式耦合和串扰,从而增强声学多路复用.基于谐振的结构提供信号频率选择性,提高了交互效率,简化了终端设备,便于实现大容量声学通信系统的创建.

水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

基于亥姆霍兹共振的超薄弧形声学超表面地毯斗篷

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽为5850—7550 Hz.进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果,发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果.此外,利用余弦相似度(cosine similarity,CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能,计算结果展示,在斗篷工作的带宽范围内,覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值,展示了其在的良好隐身性.本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元,结构简单,易于实现,有利于未来的实际应用.

声学超表面抑制高速边界层内宽频不稳定模态研究

以声学超表面为研究对象,使用线性稳定性理论(LST),研究了声学超表面导纳相位与幅值对超声速平板边界层内宽频不稳定模态的影响规律。结果表明:当导纳相位θ接近0.5π时,第1模态被抑制的同时第2模态会被激发,且在较低频率范围内导纳幅值的增大能够使第1模态更加稳定;当导纳相位θ接近π时,可抑制第2模态但同时激发第1模态;整体上,导纳幅值越大,对不稳定模态的抑制或激发效果越明显。在此基础上,结合缝隙几何参数对导纳的影响,提出一种可实现性宽频抑制方案,通过分段设计声学超表面微结构的几何尺寸,实现了同时抑制第1模态和高频第2模态的目标,并使用eN方法验证了转捩抑制效果。

一种基于声学超表面的管道消声声衬设计研究

通过设计长度渐变的狭缝单元阵列,提出一种基于梯度声学超表面的管道声衬模型。建立了该超表面声衬的声学特性数值仿真模型和理论计算模型,对其降噪特性及机理进行分析,并探究改变结构参数和声衬空间布局对降噪特性的影响,通过试验验证了该超表面声衬的消声效果。结果表明,超表面结构使声衬的降噪频段明显向低频拓展,并显著拓展其降噪频段,分析表明声衬的空间布局对其降噪效果也有很大影响。

基于组合超表面的跨水空声波调控研究

现有声学超表面的研究多是针对空气或水等单一介质,有关跨介质声波调控的研究相对较少.文章主要基于组合超表面研究跨水空界面声波的调控特性.首先,利用遗传算法设计了可以调控波前的高透射空气声超表面.接着,通过复合离散型跨水空高透射超表面设计组合超表面实现了对跨水空界面声波的波前调控,并讨论了组合超表面间距对波控性能的影响.最后加工制作组合超表面试样,并对跨水空声波聚焦功能进行了实验验证.结果表明通过复合两种独立设计的超表面可以实现跨水空界面声波的异常折射和聚焦功能.组合超表面的间距会影响其对声波的调控效果.当间距较小时,组合超表面虽然可以实现对跨水空界面声波的调控,但是调控效果较差;随着间距的增加,组合超表面对跨水空声波的调控效果会迅速增强并趋于稳定.在实验中观察到了跨水空界面的声聚焦现象以及组合超表面间距对跨水空界面声波聚焦效果的影响,实验结果与仿真结果基本一致.研究工作为跨水空声学器件的设计提供了一定的数值和实验基础.

迷宫型声学超表面可调参数及其全相位调节

针对以往声学超表面研究的不足,提出一种亚波长迷宫型声学超表面结构;以迷宫型声学超表面物理特性的有效调控为目的,深入研究了各参数与声学超表面的关系,重点分析了声学超表面对反射相位的调节作用,实现了对声学超表面反射相位的人工调控。为了揭示声学超表面与各参数之间的内在联系,逐一分析了每个可调参数对声学超表面的吸声系数和反射相位的影响,结果表明:声学超表面盖板上小孔的直径、迷宫超表面原胞边长和迷宫槽宽对吸声系数和反射相位有决定性的影响,相对而言,迷宫棱宽和迷宫盖板的厚度对吸声系数和反射相位影响较小;盖板上的小孔直径越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,而峰值保持不变,反射相位曲线也向低频移动,但相位轮廓保持不变;原胞边长越小,相应的共振频率就越高,吸声系数曲线向高频移动,且峰值增大,反射相位曲线也向高频移动,相位幅值基本不变但是跨度增大;迷宫槽宽越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,且峰值变大,反射相位曲线也向低频移动,相位幅值不变但是跨度减小。设计了一种具有10个超表面原胞的迷宫组合结构(10个原胞除孔径外其他参数均相同),实现了从0到2π跨度上的相位调节,而且结构小巧紧凑,操作简单易行。这种结构可以进一步拓展成由多个超表面原胞构造的超薄二维阵列平面,从而实现声隐身。

声学超表面研究及应用进展

声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景。阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有待解决的问题和发展趋势进行了探讨,对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义。

声学超表面的研究与应用进展

声学超表面是通过合理的设计规则以获得控制声波传播的新型人工结构,为声波的调控和处理提供了新的途径。阐述了声学超表面的相位调制机理,重点论述了包括空间卷绕型、Helmholtz谐振型、薄膜结构型以及其他类型超表面的不同概念和设计原理,并讨论了它们在异常反射/折射、聚焦、自弯曲等方面的相关研究及应用进展。最后,分别从超表面的可调谐性、可设计性和水下调控等方面讨论了声学超表面的发展方向和应用前景。

主动式声学超表面研究及其控制系统设计

为克服目前声学超表面存在可重构性差、功能单一以及稳定性较差等不足,基于声学理论并结合可编程逻辑控制器设计了一种可精密调节的多模式共振腔型声学超表面.首先建立了超表面狭缝宽度与相位变化的理论模型,并利用此模型分别计算出实现连续可调的声聚焦及声折射功能所需的狭缝宽度,且基于执行系统中的电机最大速度对其进行修正;其次设计包含单主多从模式硬件平台和电机运动软件算法的控制系统;最后利用自主研发的声场测试试验台对该超表面进行声波波阵面调制试验,并基于有限元方法分别对超表面调节入射平面波的声场进行数值模拟.试验和数值仿真结果表明,设计的控制系统可精确同步调控超表面狭缝宽度实现多种功能,设计的算法误差在0~1.1%,系统运行平顺性和鲁棒性得到提高,提出的主动式声学超表面解决了传统声学超表面可重构性差和因流体波动性导致共振腔室体积时变问题,增强了超表面的实际应用性,对声学超表面在主动声波操控方面提供了一定的指导.

采用近场声强测量研究电机表面声学特性

采用声强法对Y160M－4－H船用三相异步电动机进行近场声强测量，通过对等声强图及三维声强分布图的分析，研究电机表面声学特性，从而判断出电机的主噪声源及其产生根源，为电机设计者提供有效且精确的设计改进区域。

声学超材料与超表面研究进展

声学超材料是一种人工设计结构的材料,具有超越自然界材料行为的特性,如负折射、反常多普勒效应、平面聚焦等.本文主要介绍了声学超材料近二十年来的相关研究进展,重点论述了超原子声学超材料、超分子声学超材料、超原子簇和超分子簇声学超材料.最后简要介绍了近五年来声学超表面的研究概况和发展趋势.

声学/弹性相位梯度超表面设计:原理、功能基元、可调和编码

声学/弹性超表面是一类亚波长厚度的二维超材料,具有很强的声波/弹性波操控能力,在声学成像、通信、隐身、伪装、振动/噪声控制、能量收集、无损检测等领域具有潜在的应用.本文主要综述了声学/弹性相位梯度超表面的最新发展,包括设计原理、功能基元设计、波场操控及其应用、可调超表面设计,以及新兴的数字编码超表面.最后,展望了该领域未来的研究方向.

五模声学超表面理论分析与定向反射声学仿真

以广义斯奈尔定律为理论依据,对五模声学超表面定向反射的基本原理进行了解析推导和理论分析,获得了五模超表面的理想连续物性参数分布,并给出了五模超表面尺寸设计准则;然后将超表面离散,获得离散单胞的密度和体积模量,并以此为目标进行五模微结构设计,采用均匀化理论计算微结构的等效物性参数;最后,进行了水下声场的声波定向反射调控仿真实验,研究了入射波频率对超表面定向反射性能的影响,仿真结果展现了五模超表面宽频有效的声波调控能力以及调控的可靠性和准确性。该文的研究工作为五模声学超表面的设计和物理实现提供理论指导。

声学超表面的非对称声分束特性研究

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。

声学超表面及其声波调控特性研究

声学超材料作为近年来研究的一个新兴领域,极大地拓宽了声学材料在各个领域的应用,声学超表面作为声学超材料的一个分支,近几年也受到了国内外研究者的广泛关注。声学超表面是一种由超材料结构单元阵列构成的基于亚波长尺寸的新型声学超材料,能够利用广义Snell定理实现对反射声波或透射声波的定向调控,具有利用亚波长厚度调控声波的独特优势。由于其具有结构简单、物理特性丰富独特、对声波灵活有效调控等特点,成为了超材料研究中的热点课题。从超表面的概念出发,以折叠空间型超表面、五模式超表面、非结构化超表面为基础,详细介绍了几种常见结构单元的设计方法,及其对声波调控的物理机制,实现诸如负折射、声聚焦及声非对称传输等功能。此外,简略探讨了声学超表面有待解决的问题,以期为后续研究提供参考。

正弦色散对表面声学激子能量的影响

本文从Sak[1]提出的表面极化子的哈密顿量出发，采用顾世洧教授［2］所用的方法，考虑到色散效应对表面激子的影响。

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.

声学超表面抑制第一模态研究

以声学超表面为研究对象,采用线性稳定性理论,研究了声学超表面导纳幅值与相位对超声速边界层内第一模态的影响。研究结果表明,当导纳相位θ接近0.5π时,第一模态趋于稳定;与此同时,在一定范围内导纳幅值的增大能够增强第一模态的稳定性,但超出该范围后幅值的增大会激发第一模态。在此基础上,采用反向设计的思想,通过对声学超表面微结构的几何尺寸进行优化设计,实现其在马赫数为4的平板边界层流动中抑制第一模态的目标。

专业监听扬声器发展新技术简析——以Genelec 8351三分频声学同轴监听音箱为例

随着专业监听扬声器技术的不断升级、优化与改良,监听扬声器当前面临的技术挑战已不再是单纯地追求音质的高标准,而在于如何在严苛的声频技术标准与受到特定条件局限的工作环境下,仍然可以在监听环境中获得卓越的重放效果。旨在以Genelec 8351三分频声学同轴智能有源监听扬声器为例,阐述同轴扬声器研发的历史经验、设计思路及新技术特点,分析与探究专业监听扬声器在新时期下的发展现状与方向。