一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜及其构建方法
- 国知局
- 2024-06-21 11:30:05
本发明涉及非线性声学领域,尤其涉及一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜及其构建方法。
背景技术:
1、近年来,随着大功率超声技术、高速喷气发动机等强声源的不断涌现和广泛应用,非线性声学领域取得了显著的进展。这些强声源产生的高能量声波在介质中传播时,其非线性特性开始显现,导致了许多新奇而重要的现象的发现和研究,例如,导致声波产生频率倍增现象,即产生二次谐波。二次谐波是指在传播过程中产生的频率为原始声波频率的两倍的波。当声波能量足够大,介质的非线性特性会使得声波的二次谐波不断产生,并且随着传输的距离逐渐累积。
2、随着二次谐波的产生和累积,原始声波信号可能会被扭曲和失真。二次谐波的产生意味着信号的频谱将变得更加复杂,其中包含原始频率及其倍频分量。这可能使信号变得难以解读,降低信号质量和可靠性。且非线性效应导致的二次谐波不断产生,还会导致频谱混叠现象。频谱混叠是指原始频率和倍频成分在频域上相互干扰和重叠,使频谱分析和信号处理变得复杂和困难。进一步的,非线性声学效应通常伴随能量耗散和损失。二次谐波的产生意味着原始声波的能量将部分转移到倍频分量上,导致能量的耗散和损失。这可能导致声波能量的衰减,并减弱声波的传输效率。
技术实现思路
1、本发明针对二次谐波随着传输的距离逐渐累积的问题,提出一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜,所述方案包括:
2、一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜,所述声学镜包括:
3、声学管,所述声学管为两端中空的圆柱体;
4、所述声学管上均匀分布有数个侧孔,所述每个侧孔间设有谐振弹性板。
5、基于同一发明构思,本发明还提供一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,所述方法包括:
6、采用电声类比法将等效电传输线的电压v类比为声压p,将电流i类比为流过波导横截面的体积速度u;
7、根据传输线方程构建声学系统的等效传输线模型;
8、根据所述基尔霍夫电压定律和基尔霍夫定律和电流定律将等效传输线模型进行转换,获取二次谐波全反射声学系统的压力的演化模型。
9、进一步的,还提供一种优选方式,所述根据传输线方程构建声学系统的等效传输线模型包括:波导、谐振弹性薄板和侧孔;所述波导通过电感和并联电容进行建模:所述波导通过电感和并联电容进行建模:所述谐振弹性板通过lc电路进行建模。
10、进一步的,还提供一种优选方式,所述波导通过电感和并联电容进行建模,包括:
11、
12、cω=cω0-c′ωpn,
13、
14、
15、其中,ρ0为密度,d为相邻两弹性薄板距离,lω为波导等效电感,cω为波导等效电容,cω0为波导等效电容的线性部分,cω'为波导等效电容的非线性参数,pn为第n个单元处的压强,s为波导的横截面积,c0为声速,β0为非线性参数。
16、进一步的,还提供一种优选方式,所述谐振弹性板通过lc电路进行建模,包括:
17、
18、
19、其中,lm为弹性薄板等效电感,ρm为弹性薄板密度,hm为弹性薄板的厚度,cm为弹性薄板等效电感,ωm为弹性薄板的谐振频率。
20、进一步的,还提供一种优选方式,所述侧孔电感和电阻串联组合组成的并联电路建模,包括:
21、
22、
23、δlho=(0.82-0.470.8∈n)rh,
24、rh=ρ0c0(krh)2/(2sh)=p0ω2/(2πc0),
25、其中,lh为侧孔等效电感,δlhi为侧孔内修正长度,δlho为侧孔外修正长度,sh为侧孔横截面积,εn为侧孔半径与波导半径的比值,rh为侧孔半径,rh为侧孔等效电阻,k为波束,ω为声波频率。
26、进一步的,还提供一种优选方式,所述获取二次谐波全反射声学系统的压力的演化模型,具体为:
27、
28、其中,pn-1为第n-1个单元处的压强,pn+1为第n+1个单元处的压强,rω为波导等效电阻。
29、进一步的,还提供一种优选方式,所述弹性板和侧孔的响应为线性响应。
30、进一步的,还提供一种优选方式,所述波导中的传播为弱非线性。
31、本发明的有益之处在于:
32、本发明解决了二次谐波随着传输的距离逐渐累积的问题。
33、本发明提出的基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜是针对声波传输中二次谐波累积的问题进行创新设计的。在传统的全反射透镜中,通常只适用于光学领域,而本发明将该原理应用于声学领域中。该声学镜包括一个声学管,该声学管是一个两端中空的圆柱体,其中均匀分布着数个侧孔,而每个侧孔之间设有谐振弹性板。该设计的核心思想是利用声学管和谐振弹性板之间的相互作用,通过调节谐振板的参数,使得二次谐波在声学管内部发生全反射,从而阻止其累积传播。相较于传统的声学传输系统,本发明的方案具有以下优点:
34、(1)抑制二次谐波累积:传统系统中,二次谐波会随着传输的距离逐渐累积,导致信号失真。而本发明的声学镜通过调节谐振板的参数,实现二次谐波的全反射,阻止其在声学管中的传播和累积,从而有效抑制了二次谐波的产生。
35、(2)降低信号失真:通过抑制二次谐波的累积,本发明的声学镜可以减轻传输信号的扭曲和失真现象,保持信号的高质量和可靠性。
36、(3)灵活性和适用性:本方案中,谐振弹性板的参数可以根据具体需求进行调整和优化,以适配不同频率和应用场景下的需求。这种灵活性使得该声学镜在不同的声学系统中都具备广泛的适用性。
37、本发明提出的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,通过构建等效传输线模型和压力的演化模型,能够准确描述二次谐波在声学系统中的传播和反射过程,从而解决二次谐波随传输距离逐渐累积的问题。采用传输线方程作为基础,可以清楚地理解声学系统中各个部分的作用和相互关系,从而更好地理解声学系统的行为。通过建立声学系统的等效传输线模型和演化模型,本方法可以用于分析和优化声学系统的性能,包括二次谐波的抑制和信号传输的准确性。
38、本发明提出的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,利用电声类比法将声学系统转化为等效电传输线问题,根据传输线方程建立等效传输线模型,进而根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫定律和电流定律转换模型,得到压力的演化模型。该方法利用电声类比和传输线理论,将声学问题转化为等效电传输线问题进行分析和求解。解决了声学系统中二次谐波累积的问题,通过构建声学系统的等效传输线模型和转换模型,可以得到二次谐波全反射声学系统中压力的演化模型,从而实现对二次谐波的抑制和控制,提高声学系统的性能和传输质量。
39、本发明应用于超声领域。
技术特征:1.一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜,其特征在于,所述声学镜包括:
2.一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,其特征在于,所述方法包括:
3.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学系统镜构建方法,其特征在于,所述根据传输线方程构建声学系统的等效传输线模型包括:波导、谐振弹性板弹性板和侧孔;所述波导通过电感和并联电容进行建模:所述波导通过电感和并联电容进行建模:所述谐振弹性板通过lc电路进行建模。
4.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,其特征在于,所述波导通过电感和并联电容进行建模,包括:
5.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学系统镜方法,其特征在于,所述谐振弹性板通过lc电路进行建模,包括:
6.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学系统镜方法,其特征在于,所述侧孔电感和电阻串联组合组成的并联电路建模,包括:
7.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学系统镜方法,其特征在于,所述获取二次谐波全反射声学系统的压力的演化模型,具体为:
8.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,其特征在于,所述弹性板和侧孔的响应为线性响应。
9.根据权利要求2所述的一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜构建方法,其特征在于,所述波导中的传播为弱非线性。
技术总结一种基于传输线方程的二次谐波全反射声学镜及其构建方法,涉及非线性声学领域。解决了二次谐波随着传输的距离逐渐累积的问题。所述方法包括:采用电声类比法将等效电传输线的电压v类比为声压p,将电流i类比为流过波导横截面的体积速度u;根据传输线方程构建声学系统的等效传输线模型;根据所述基尔霍夫电压定律和基尔霍夫定律和电流定律将等效传输线模型进行转换,获取二次谐波全反射声学系统的压力的演化模型。本发明应用于超声领域。技术研发人员:张姜怡,胡博,杨德森,初妍,李松受保护的技术使用者:哈尔滨工程大学技术研发日:技术公布日:2024/2/25本文地址:https://www.jishuxx.com/zhuanli/20240618/21888.html
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