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摘要

声能量非互易传递机理及声非互易系统构建是近年来声学领域的研究热点. 本文开展了由非线性薄膜和两个不同尺寸声腔组成的实验系统中声能量非互易传递的实验研究. 该系统利用简化为Duffing振子的薄膜频响函数的不对称性, 实现了声能量的非互易传递. 采用复化平均法获得系统频响函数的渐近解, 理论计算结果与实验测量结果吻合. 理论计算和实验结果表明: 该系统理论上存在最大9.1倍的非互易量, 实验测得的最大非互易量为4.3倍, 归一化跳变区频率带宽为0.56. 研究结果揭示了实验系统中声能量非互易传递机理, 为实现空气介质声系统中声能量的非对称传递提供了一种新方法.

关键词:

Abstract

Mechanisms for the nonreciprocal transmission of acoustic energy and the construction of non-reciprocal vibro-acoustic systems have been subjects of intense research in recent years. An experimental study of acoustic nonreciprocal transmission in an experimental system with a nonlinear membrane and two acoustic cavities of different sizes is reported. The membrane can be simplified into a Duffing oscillator, and the asymmetry of the frequency response function of this oscillator is used to realize the non-reciprocal transmission of acoustic energy. The asymptotic solution of the frequency response function of the nonlinear membrane is obtained by the complexification-averaging method. The theoretical simulation results accord well with the experimental results. The results show that the experimental system has a maximum non-reciprocal quantity of 9.1 times in theory, 4.3 times in the experiment, and the normalized frequency bandwidth of the jump phenomenon region is up to 0.56. The research results reveal the mechanism of non-reciprocal transfer of acoustic energy in the experimental system and demonstrate a new way to realize the asymmetric transfer of acoustic energy in an acoustic system with an air medium.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:卢奂采,huancailu@zjut.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 51875522, 51975525)和浙江省“一带一路”国合专项(批准号: 2018C04018)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Lu Huan-Cai,huancailu@zjut.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51875522, 51975525), and the International Science and Technology Cooperation Foundation for “One-Belt and One-Road” of Zhejiang Province, China (Grant No. 2018C04018).

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参数名称	符号
上声腔边长	${L_1}$
下声腔边长	${L_2}$
上声腔体积	${V_1}$
下声腔体积	${V_2}$
薄膜半径	$R$
薄膜厚度	$h$
薄膜面积	${S_{\rm me} }$
薄膜质量	${m_{\rm me} }$
薄膜表面附加空气质量	${m_{\rm{a}}}$
实验测得薄膜的一阶共振频率	${f_1}$
无预应力的薄膜共振频率	${f_0}$
薄膜密度	${\rho _{\rm me} }$
薄膜杨氏模量	$E$
薄膜线性刚度	${k_1}$
薄膜立方非线性刚度	${k_3}$
薄膜泊松比	$\upsilon $
薄膜阻尼系数	$ \eta $
薄膜中心点横向位移	${\dot q_{\rm me} }$
薄膜平均速度	${\bar v_n}$
空气声速	$ {c_0} $
空气密度	${\rho _{\rm{a}}}$
激励频率	${\omega _{\rm{S}}}$
源强幅值	${Q_{\rm{s}}}$
非互易量	$NR$

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参数名称	符号	数值	单位
上声腔边长	${L_1}$	0.2	m
下声腔边长	${L_2}$	0.3	m
薄膜半径	$R$	0.017	m
薄膜厚度	$h$	1×10^–4	m
薄膜密度	${\rho _{\rm me} }$	980	kg/m³
薄膜杨氏模量	$E$	2.1	MPa
薄膜泊松比	$\upsilon $	0.49
实验测得的薄膜线性固有频率	$ {f_1} $	77	Hz
薄膜立方非线性刚度	${k_3}$	3.50×10⁶	N/m³
薄膜阻尼系数	$ \eta $	8×10^–5	s^–1
空气声速	$ {c_0} $	340	m/s
空气密度	${\rho _{\rm{a}}}$	1.29	kg/m³

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