基于线性或者角动量偏置的非互易式声学装置 |
|||||||
| 申请号 | CN201480057593.3 | 申请日 | 2014-08-04 | 公开(公告)号 | CN105659315A | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
| 申请人 | 德克萨斯大学系统董事会; | 发明人 | 安德里亚·艾路; 罗曼·弗勒里; 迪米特里奥斯·桑那斯; | ||||
| 摘要 | 一种非互易式声学装置，所述非互易式声学装置经由线性或者 角 动量 偏置来实现非互易性。所述非互易式声学装置包括方位对称的或者平面的声学腔(例如，环形腔)，其中，通过迫使填充所述腔的气体、 流体 或者固体介质做环形或者线性运动来使所述腔偏置。声学 波导 连接至所述腔或者所述腔由周围介质激发。所述装置的端口由 声波 激发。当所述腔恰当地偏置时，所述声波传输至其它声学波导中的一个，同时在所述其它声学波导处不会发生声波传输。因此，在不扭曲输入 信号 或者不需要较高输入功率或者庞大的装置的情况下，现在在声学中实现了线性非互易性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种非互易式装置，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 基于线性或者角动量偏置的非互易式声学装置相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求于2013年8月21日提交的美国临时专利申请序列号61/868,178“Non-Reciprocal Acoustic Devices Based on Angular Momentum Biasing”的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。政府利益 [0002] 依据美国国防威胁降低局批准号HDTRA1-12-1-0022的条款，美国政府对本发明具有一定权利。 技术领域[0003] 本发明大体上涉及非互易式装置(non-reciprocal devices)，并且更加具体地涉及基于角动量偏置的非互易式声学装置。 背景技术[0004] 波传播的非互易性是一种源自时间反演对称性破缺(time-reversal symmetry breaking)的介质的迷人特性。根据卡西米尔-翁萨格(Casimir-Onsager)原理，要使装置是非互易式的，则其散射矩阵(scattering matrix)必须取决于时间反演上的奇数矢量。例如，在这种非互易式装置(例如，隔离器、二极管)中，波在一个方向上完全传输并且在另一个方向上完全反射。近来，已经讨论过多种在线性装置中实现单向声音传播的提议，但是大多数这些构思均使用了非对称的线性结构，而非对称的线性结构无任何类型的奇数矢量偏置，使得该装置在时间反演上完全对称并且因此完全是互易式的。这些线性装置表现为非对称模式的转换器，而不是隔离器。这些线性装置不可以用于进行声音隔离，这是因为，如果使输入和输出逆转，如起到在两个端口之间的二极管的作用的装置所要求的，则从严格意义上讲，传播是互易式的。 [0005] 实现声学非互易性并且适合用于进行隔离的可行方案是使用非线性介质。例如，我们可以将声子晶体(phononic crystal)与能够转换波的频率的非线性介质组成一对。一方面，由于晶体是在带隙(band gap)中操作，所以对波进行反射。另一方面，将波频率转换为晶体的传播带中的值，并且因此通过该结构传输。然而，该方案需要非常高的输入功率并且难以与在线性声学中通常碰到的低强度信号一起有效地操作。作为另外的缺陷，尤其是对于声波是有问题的，该方案大幅地更改了信号的频率。尽管，在原则上，物理定律允许在线性系统中进行非互易式传播。磁偏置可以诱导非互易性，就如在声学法拉第效应的情况下一样，但是磁声学效应较弱并且可能需要比波长大很多的大型装置。已经提出用机械运动来实现声学回转器(非互易式移相器)，但是在磁偏置的情况下，所获得的装置非常庞大并且严格限于管道上的横波。仍然不存在一种线性的紧凑的声学非互易式装置的方案，用于气体(例如，空气)中的纵波，并且高度适用于听得见的声音的隔离。 发明内容[0006] 在本发明的一个实施例中，非互易式装置包括：具有角动量偏置的方位对称的声学腔。该非互易式装置进一步包括连接至所述方位对称的声学腔的多个声学波导，其中，多个声学波导中的每一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述多个声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。方位对称的声学腔按照如下方式进行偏置：诱导声波完全传输至所述多个声学波导中的第二声学波导的输出端口并且声波不会传输至所述多个声学波导中的第三声学波导的输出端口。 [0007] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括：具有角动量偏置的声学腔，其中，该声学腔由彼此联接的子腔组成，以及其中，该角动量偏置由子腔的声学特性的时间调制来实现。该非互易式装置进一步包括连接至所述声学腔的多个声学波导，其中，所述多个声学波导中的每一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述多个声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。声学腔按照如下方式进行偏置：诱导声波完全传输至所述多个声学波导中的第二声学波导的输出端口，并且声波不会传输至所述多个声学波导中的第三声学波导的输出端口。 [0008] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括声学腔，其中，该声学腔由平面腔组成，在该平面腔中，通过横向移动介质或者时间调制来施加线性动量偏置。该非互易式装置进一步包括连接至声学腔的一对声学波导，其中，该对声学波导中的每一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括该对声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。声学腔按照如下方式进行偏置：诱导在该对声学波导的第一声学波导的输入端口中被激发的声波完全传输至该对声学波导中的第二声学波导的输出端口，其中，声学腔按照如下方式进行偏置：诱导在该对声学波导的第二声学波导的输入端口中被激发的声波零传输至该对声学波导中的第一声学波导的输出端口。 [0009] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括声学腔，其中，该声学腔由平面腔组成，在该平面腔中，通过横向移动介质或者时间调制来施加线性动量偏置，以及其中，该声学腔由在自由空间中传播的声波激发。该声学腔的表面是部分透明的，以便允许声波穿透到声学腔中。 [0010] 在本发明的另一个实施例中，一种由非互易式装置的晶格制成的人造声学介质，其中，该声学介质通过如下方式变为非互易式：向晶格的每个元件施加角或者线性动量偏置，从而使人造声学介质以批量模式和边缘模式进行非互易式传播。 [0011] 上文已经较一般地概述了本发明的一个或多个实施例的特征和技术优点，以便使下文对本发明的详细描述可以得到更好地理解。本发明的其它特征和优点将在下文进行描述，这些其它特征和优点可以形成本发明的权利要求书的主题。附图说明 [0012] 当结合以下附图考虑以下详细说明时，可以获得对本发明更好的理解，在附图中： [0013] 图1A图示了根据本发明的实施例的通过使内部流体循环而偏置的声学环形腔； [0014] 图1B图示了根据本发明的实施例的根据本发明的分析模型对第一逆向传播本征模式进行分裂的结果，该分裂与偏置速度成正比； [0015] 图1C图示了根据本发明的实施例的分析预测与全波模拟之间的比较，显示了对与右手侧和左手侧模式相关联的本征频率进行的分裂； [0016] 图1D图示了根据本发明的实施例的连接至三端口系统的声学二极管的概略图，该三端口系统由偏置环形腔和联接至偏置环形腔的三个声学波导组成； [0017] 图2A图示了根据本发明的实施例的，当未向图1D的声学循环器施加偏置时，在端口2和端口3处的传输频谱相同。 [0018] 图2B图示了根据本发明的实施例的，通过调整图1D的声学循环器的偏置速度，使得在共振频率下，在端口2处获得零传输并且在端口3处获得完全传输； [0019] 图2C图示了根据本发明的实施例的对图1D的装置的非互易传输特性的偏置速度进行改变的效果； [0020] 图2D图示了根据本发明的实施例的分布在图1D的未偏置装置内部的声学压力场； [0021] 图2E图示了根据本发明的实施例，当图1D的装置恰当地偏置时，在第三波导中的声波完全传输，同时在第二波导中的声级为零； [0022] 图3A图示了根据本发明的实施例的、包含了本发明的原理的制造装置； [0024] 图3C图示了根据本发明的实施例的，当将风扇速度调节为产生最佳非互易行为时，对从端口1入射的声波向端口2和端口3的声音传输的测量； [0025] 图3D图示了根据本发明的实施例的规范化为未偏置情况的测量传输频谱，该测量传输频谱作为输入电流的函数，输入电流与风扇速度成比例；以及 [0026] 图3E图示了根据本发明的实施例的作为输入电流的函数的测量分贝隔离，其示出了在设计速度下的大量(＞30d)非互易性。 具体实施方式[0027] 如在背景技术部分中叙述的，用于实现声学非互易性并且适合用于进行隔离的可行方案是使用非线性介质。例如，我们可以将声子晶体与能够转换波的频率的非线性介质组成一对。一方面，由于晶体在带隙中操作，所以对波进行反射。另一方面，将波频率转换为晶体的传播带中的值，并且因此通过该结构传输。然而，该方案需要非常高的输入功率并且难以与在线性声学中通常碰到的低强度信号一起有效地操作。作为另外的缺陷，尤其对于声波是有问题的，该方案大幅地更改了信号的频率。尽管，在原则上，物理定律允许在线性系统中进行非互易式传播。磁偏置可以诱导非互易性，就如在声学法拉第效应的情况下一样，但是磁声学效应较弱并且需要比波长大很多的大型装置。已经提出用机械运动来实现声学回转器(非互易式移相器)，但是在磁偏置的情况下，所获得的装置非常庞大并且严格限于管道上的横波。仍然不存在一种线性的紧凑的声学非互易式装置的方案，用于气体(例如，空气)中的纵波，且高度适用于听得见的声音的隔离。 [0028] 本发明的原理提供了一种手段，该手段用于基于角动量偏置来开发一种用于声波的线性非互易式装置，诸如线性声学二极管或者线性声学隔离器。由于本发明的原理，在不扭曲输入信号或者不需要较高输入功率或者庞大的装置的情况下，现在在声学装置中实现了线性非互易性。用于开发这种非互易式声学装置的方法是基于向塞曼效应(Zeeman effect)引入声学等同物，该引入操作是基于在共振时对小圆形腔进行角动量偏置。设想一种方位对称的声学腔，例如，如根据本发明的实施例的如在图1A中描述的雕刻在实心体中的环形腔100。参照图1A，通过迫使填充介质102(例如，诸如空气等气体、流体以及诸如水中的橡胶环等固体)在共振频率下做环形运动101而使腔100偏置。尽管假设，在不失一般性的条件下，偏置速度的大小是恒定的并且等于ν，但是也可假设偏置速度在方位上被引导为沿着 并且取决于径向距离r。在不存在外部偏置的情况下，当环形腔100的平均周长大约等于波长的整数m时，环形腔100发生共振，利用方位依存性 支持简并逆向传播本征模式(degenerate counter-propagating eigenmodes)。这表明，对于在本发明的实施例中使用的基本模式m＝1，环形腔100的大小比波长要小。为了理解偏置对模式特性的影响，考虑该环的与时间无关的薛定谔方程式(Schrodinger equation)：(H0+P)|ψ〉＝ω|ψ〉， (1) 其中，|ψ>是模式状态矢量，ω是本征频率，H0是系统在不存在偏置的情况下的时间演变运算符，以及P是描述由移动介质引起的摄动(perturbation)的运算符。该方程式是在假设无旋流和等熵流(isentropic flow)的情况下得出的。忽略高阶模式，发现两个本征值ω+和ω-为： 其中，ω0是在不存在偏置的情况下基本模式的简并共振频率，以及Rav是平均环半径。 如在根据本发明的实施例的图1B中所表示的，偏置通过使用速度呈线性的频率分裂来打破简并性，类似于在存在静磁场的情况下用于原子电子的塞曼效应。如果速度环量在右手侧(right-handed,RH)，则左手侧(left-handed,LH)模式转向较高频率，而RH模式变小相同的量。如果速度环量在左手侧(LH)，则RH模式转向较高频率，而LH模式变小相同的量。为了验证所提出的声学塞曼效应的分析模型，针对偏置腔，已经对本征值问题进行了数值求解。我们发现本征值完全符合方程式(2)，如在根据本发明的实施例的图1C中所图示的，从而验证了形式和假设。 [0029] 在铁磁材料中，塞曼效应负责电磁波的非互易式传播。由于环形腔100的状态的空间现在取决于时间反演上的奇数矢量，即，移动介质的角动量，所以我们可期望所提出的声学塞曼效应能够诱导非互易性，就像用于电磁波的量子对应物一样。对此，本发明的原理从声学二极管推广到三端口线性装置，也称为循环器。这种装置允许在端口1处入射的声学功率被完全地和仅仅地传输至端口3。该功率从端口3处传输至端口2，并且从端口2处传输至端口1。在根据本发明的实施例的图1D中设想的循环器的散射矩阵S是非对称的，其非互易式性质的征兆。注意，本发明所提出的二极管是声学循环器的子系统，也是第一种用于声波的声学循环器。实际上，通过与端口中的一个端口进行匹配，将该系统简化为能够隔离声音的输入-输出装置，可以轻易地由循环器获得二极管。例如，如在图1D中所描述的，这种装置103包括声学塞曼腔104(诸如，环形腔100)，该声学塞曼腔104经由小孔联接至围绕其成120°放置的三个声学波导105A-105C。每个波导105A-105C分别与诸如输入/输出端口1-3等输入端口和输出端口相关联，该输入端口和输出端口可以分别用于向波导105A-105C输入/输出声波。波导105A-105C可以整体地或者单独地分别称为多个波导105或者波导105。由于模式分裂，所以在端口1处入射的声波会不均匀地耦接至RH模式和LH模式，具有不同的振幅a+和a-，允许在他们之间存在干扰并且允许在端口2和端口3处潜在地有不同的结果。通过使用时域耦合模式理论，可以发现在端口2和端口3处的功率传输系数为： 其中，我们已经注意到，γ±为与RH模式和LH模式相关联的衰减率。从方程式(4)和方程式(5)明显可见，如果可以将耦接至三个波导105的腔104的模式分裂为使得那么，我们可以得出T1→2＝0和T1→3＝1，并且，通过对称性，得出方程式(3)的整个散射矩阵。因此，这证明，在声学塞曼效应下，具有线性子波长非互易式响应的声学循环器是可能的。 [0030] 已经执行了多种模拟来研究当从端口1入射声波时图1D的三个端口系统103的行为。在根据本发明的实施例的图2A-2E中概括了该结果。现在将结合图1D对图2A-2E进行讨论。 [0031] 参照图2A，图2A描绘了未使图1D的系统103偏置的情况，当未施加偏置时，计算在端口2和端口3处压力传输系数的大小。在这种情况下，端口2和端口3处的传输系数相同，与装置103的对称性相一致。系统103是功率分配器，其在每个输出端口(例如，端口2和端口3)中发送4/9的功率，剩余的功率(1/9)则被反射。 [0032] 图2B示出了根据本发明的实施例的当使装置103恰当地偏置时所改变的传输频谱。至端口2的传输在特定频率下急剧下降到零。在相同的频率下，至端口3的传输到达一起，这表示所有能量均被导向端口3。相似地，当从端口3入射声波时，声波被发送至端口2而不会返回至端口1，如果装置103是互易式的，则我们可以期望声波返回至端口1。相似地，来自端口2的激发导致在端口3处的完全传输。 [0033] 图2C图示了根据本发明的实施例的在从端口1传输至端口2和端口3时对偏置速度进行改变的效果。当速度为零(未偏置的装置)时，振幅传输系数等于2/3。随着速度增加，至端口2的传输逐渐下降到零，而针对特定值的偏置速度，在端口3处，该传输增加以达到一。该值提供了正确的声学塞曼分裂量，以获得完美的循环器。在该值之后，S-参数|S21|再次增加，而|S31|则减小。有趣的是，该方法对于平均速度值的波动显得十分的稳健。实际上，在围绕最佳值的较大速度范围内，获得了高度的隔离，定义为比率|S31/S21|。 [0034] 为了进一步了解装置103内部的声学压力场的行为，在根据本发明的实施例的图2D和图2E中分别示出了在未偏置操作下和在最佳速度偏置下的声学压力场分布。在未偏置操作下，如在图2D中示出，模式是简并的并且受到均匀地激发，从而在腔的内部产生相对于端口1的轴线完全对称的压力场分布。相对于端口1的轴线对称的端口2和端口3受到均匀地激发，因此完全不符合非互易式传播。由黑色箭头表示的平均功率流在两个输出端口(端口 2和端口3)之间被均匀地分裂。然而，当使装置103受到恰当地偏置时，分裂模式以不同的方式受到激发并且进行干扰，从而产生不再相对于端口1的轴线对称的场分布。从图2E的图可见，在端口2处发生破坏性干扰，而在端口3处，模式则发生有益地干扰，这解释了独特的非互易式响应。功率流完全地并且恒定地仅流向左输出端口(端口3)。 [0035] 在根据本发明的实施例的图3A中示出了通过使用本发明的原理制造的装置300。在一个实施例中，以120°的间隔放置在腔302中的三个低噪音CPU冷却风扇301A-301C生成循环流，目的在于在大约800Hz的可听见范围内操作。风扇301A-301C可以整体地或者单独地分别称为多个风扇301或者风扇301。通过使风扇301的输入电流发生改变，来改变腔302的偏置速度。装置300由放置在上游(诸如，在端口1中)的扬声器激发。图3B和图3C分别图示了在端口2和端口3处的测量传输频谱，这规范化为根据本发明的实施例的未偏置的情况(图3B)。在图3C中，输入电流设置为130mA，并且非常清楚地观察到非互易性，这与理论非常一致。图3D图示了根据本发明的实施例在传输系数上对风扇输入电流(即，风扇速度)进行改变的效果。实验测量值很好地证明了对图2C的理论的预测。为了量化装置300的性能，根据本发明的实施例测量了以隔离|S31/S21|为特征的作为输入电流的函数的非互易性的量，如在图3E中所示出的。通过使用本发明的原理，获得了比最佳偏置值大约大30dB的卓越隔离。在实验期间，对装置300的响应进行测试以在其它端口处进行激发。如从120°对称性所期望的，结果与从激发端口1处获得的结果一致。由于偏置为电子地受控制，允许高调谐度，所以可以瞬间从互易式操作切换为非互易式操作，并且甚至通过改变输入电流的信号来使循环器的旋向性(handedness)逆转。在ωr下发送窄带信号并且观察者可闻非互易性。 [0036] 尽管图3A-3E讨论了通过使用三个低噪音CPU冷却风扇301来使填充腔302的空气进行环形流动从而实现角动量偏置，但本发明的原理也可以使用其它手段来实现角动量偏置，诸如通过使用搅拌器来使填充腔的流体进行环形流动。此外，非互易式装置可以包括：具有角动量偏置的声学腔，其中，该声学腔由彼此耦接的子腔组成，以及其中，该角动量偏置由子腔的声学特性的时间调制来实现。此外，非互易式装置可以包括声学腔，其中，该声学腔由平面腔组成，在平面腔中，通过横向移动介质或者时间调制来施加线性动量偏置。 [0037] 在波物理学的所有分支中，子波长波操纵绝对是具有挑战性的，并且由于其相关联装置的紧凑性，所以也是非常令人期待的。本发明的子波长声学二极管可以用在实际的集成式和可调谐式装置中，以便在听得见的频率下实现卓越的声学隔离。声学塞曼效应，基于子波长环形腔的角动量偏置，可以带来新的方式，以控制气载声波在新一代声学开关、噪音控制装置或者成像系统中的传播。 [0038] 已经呈现了对本发明的多个实施例的描述，该描述是为了进行阐释，而不是意在面面俱到或者限制于所公开的实施例。对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离所描述实施例的范围和精神的条件下，可以进行多种更改和改变。本文中所使用的术语的选择是为了最佳地解释实施例的原理、实际应用或者对市场上发现的技术进行的技术改进，或者使本领域的其它技术人员能够理解本文所公开的实施例。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈