Page 7 - 《应用声学》2020年第6期

第 39 卷 第 6 期 胡洁等： 平面超薄准直器件的参数依赖性 801

振频率为 11.8 kHz，类亥姆霍兹共振器共振频率为 其纵向尺度远小于入射声波波长，若能够进一步降
11.6 kHz，仿真结果显示，当入射声波频率在12 kHz 低凹槽之间间距 D 和凹槽数量 r，即降低结构的横
附近透射率达到极大值，其透射声场如图2(b)所示， 向尺度，并保持原有的准直效果，将有助于进一步实
在结构中心狭缝处有较强声透射，但不能够形成有 现该器件的小型化，提升其应用空间。
效准直声束。 在其他条件不变的情况下 (r=10)，选取了不同
可见，若仅在钢板下方嵌入类亥姆霍兹凹槽， 的凹槽间距 D，观察其对透射率及准直效果的影
则透射后的声波将向四周逸散，无法形成有效的准 响，这里透射率定义为透射声能量和入射声能量
直声束。因此，通过在钢板上方嵌入与下方相同的 的比值。图 3(a) 描述了 D =4 mm、8 mm、12 mm、
凹槽阵列 (如图 1 所示)，可以将透射四处逸散的声 16mm、20 mm时的透射率随频率的变化。由图3(a)
波转换为声表面波，向中心聚集，最终在共振频率
11 kHz处形成了高效准直声束 [20] 。而图1和图2(a) 0.9
两个结构所对应的共振频率略有差别，说明结构的 0.8 D=4 mm
0.7 D=8 mm
共振频率不仅与中心狭缝长度和两侧类亥姆霍兹 D=12 mm
0.6 D=16 mm
共振器共振频率有关，且与共振器分布位置有关。 0.5 D=20 mm
ᤩ࠱ဋ 0.4

0.3
(a) ̩ʾΟࢦదѢയ᫼ѵᄊፇ౞ᇨਓڏ 0.2
280 0.1
0.5
0
240
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0.4
4
200 ᮠဋ/10 Hz
z/mm 160 0.3 (a) ᤩ࠱ဋᬤᮠဋᄊԫӑజጳ
120
0.2 120O 90O 60O 120O 90O 60O
80
150O 30O 150O 30O
40 0.1
0.1 0.5
0 180O 0O 180O 0O
0
-100 0 100 210O D=4 mm 330O 210O D=8 mm 330O
x/mm
240O 300O 240O 300O
(b) ̩ʾΟࢦదѢയ᫼ѵ௑ᄊᤩ࠱ܦڤڏ 270O 270O
90O 60O 90O 60O
120O
图 2 仅下侧嵌有凹槽阵列的结构示意图及透射声场 120O
150O 30O 150O 30O
Fig. 2 The schematic diagram of the structure con-
sisting of Helmholtz-like resonators on down side 180O 0.0012 0.9016 0O 180O 0.0036 0.9206 0O
only and the spatial distribution of the acoustic
210O D=12 mm 330O 210O D=16 mm 330O
pressure on the transmitted side
240O 300O 240O 300O
270O 270O
2.2 类 亥 姆 霍 兹 共 振 器 阵 列 参 数 对 准 直 效 果 90O
120O 60O
的影响 150O 30O
显然，钢板两侧上下方的凹槽阵列不仅提高了
180O 0.0014 0.4953 0O
声波的透射效率，而且增强了透射声束的准直性，
对产生高效准直现象具有不可或缺的意义。而在文 210O D=20 mm 330O
240O 270O 300O
献 [13–16]提出的结构中，阵列的周期对准直效果有
(b) ᤊڤܦԍౝگಖڏ
着重要的影响，当周期为入射波波长的一半时，产生
图 3 D 变化时，透射率随频率变化曲线和远场声压
的准直现象最明显，可知该现象和结构的周期相关，
极坐标图
显然布拉格散射在其中起到了重要作用，这也限制
Fig. 3 Frequency dependence of the transmission
了该类器件在实际情况中的应用，因为其横向和纵 coefficient and the polar diagram of the far-field
向尺寸均受到入射波长的制约。而本文提出的器件 sound pressure as D varies