Page 150 - 《应用声学》2025年第3期
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当平面波以其他角度入射到硅橡胶结构上底 大的结构尺寸，届时需要更为全面地考虑所用的材
面时的声场计算结果如图 13 所示。由图可见，声 料或设计等效介质。
压幅值极大值在下底面处的位置随平面波入射角
度发生偏移。同时以下底中心位置处声压幅值模 参 考 文 献
拟实际水听器接收到的数据，变换平面波入射角
[1] 路德明. 水声换能器原理 [M]. 青岛: 青岛海洋大学出版社,
度并绘制接收指向性图，如图 14 所示。仿真结果
2001: 366.
显示，上述硅橡胶结构同样可以用于实现高指向性 [2] 杨天文, 陈敏, 黄大贵, 等. 换能器阵列形式对指向性的影
接收。 响 [J]. 压电与声光, 2014, 36(1): 93–96, 99.
Yang Tianwen, Chen Min, Huang Dagui, et al. Ef-
fect of transducer’s array pattern on array’s directivity[J].
0° 0 dB
30° 330° Piezoel Electric & Acoustooptics, 2014, 36(1): 93–96, 99.
-10 dB
[3] Zhao G, Shi K, Zhong S. Research on array structures
-20 dB of acoustic directional transducer[J]. Mathematical Prob-
60° 300°
-30 dB lems in Engineering, 2021: 1–5.
-40 dB [4] 向倬君, 陈海洋, 程华, 等. 单指向性三元阵 [C]//中国声学学
90° 270° 会水声学分会 2019 年学术会议论文集, 2019: 364–366.
[5] 杨斌颖, 王艳, 付昌. 一款低频偶极子声源设计 [J]. 声学与电
子工程, 2021(1): 42–45.
120° 240° Yang Binying, Wang Yan, Fu Chang. A low frequency
dipole sound source design[J]. Acoustics and Electronics
150° 210° Engineering, 2021(1): 42–45.
180° [6] 王秋木. 基于多极子模型的指向性水声换能器研究 [D]. 哈尔
滨: 哈尔滨工程大学, 2017.
图 14 接收指向性图
[7] 丁玥文, 苗志军, 司泽宇, 等. 声透镜指向性换能器研究 [J]. 压
Fig. 14 Diagram of reception directivity 电与声光, 2022, 44(3): 352–356.
Ding Yuewen, Miao Zhijun, Si Zeyu, et al. Research on a
directional transducer with acoustic lens[J]. Piezoel Elec-
4 结论
tric & Acoustooptics, 2022, 44(3): 352–356.
[8] 王敏慧, 胡健辉, 张睿. 一种带障板的圆柱型水听器指向性
本文结合优化方法设计了一种以硅橡胶为材 研究 [C]//中国声学学会水声学分会 2015 年学术会议论文集,
料的指向性调控结构。首先通过拓扑优化方法得到 2015: 154–156.
[9] Dühring M B, Jensen J S, Sigmund O. Acoustic design by
了这种结构的初始拓扑结构，在进行特征提取简化
topology optimization[J]. Journal of Sound and Vibration,
后再进行尺寸优化得到了几何更为简单的圆台形 2008, 317(3–5): 557–575.
硅橡胶结构。并讨论了这种结构能够调控指向性的 [10] Yang Z, Huang X. An acoustic cloaking design based on
topology optimization[J]. The Journal of the Acoustical
作用机理。 Society of America, 2022, 152(6): 3510–3521.
研究结果表明，当与点源共同作用时，这种圆 [11] 秦冲, 王晓琳, 尹铫, 等. 声学覆盖层内嵌空腔的一种数值优
台形结构可以有效提升发射指向性，在 5 kHz 时 化方法 [J]. 声学技术, 2023, 42(1): 1–7.
Qin Chong, Wang Xiaolin, Yin Yao, et al. A numeri-
−3 dB 波束开角为 24.10 ；当平面波垂直结构上底 cal optimization method for cavities embedded in acoustic
◦
面入射时，在下底面中心处声压幅值达到极大值，远 coatings[J]. Technical Acoustics, 2023, 42(1): 1–7.
[12] Xia X, Li Y, Cai F, et al. Ultrasonic tunable focusing by
离中心时声压幅值迅速减小，据此，当平面波以不同
a stretchable phase-reversal Fresnel zone plate[J]. Applied
角度入射到结构时，在结构下底面中心处水听器接 Physics Letters, 2020, 117(2): 021904.
收到的声压幅值大小会有显著变化，从而实现高指 [13] Stolpe M, Svanberg K. An alternative interpolation
scheme for minimum compliance topology optimization[J].
向性接收。本文为低频指向性换能器的制造提供了
Structural and Multidisciplinary Optimization, 2001,
新的思路。此外，在后续研究中还需要考虑实际情 22(2): 116–124.
况下结构的布置问题，以便于开展实验对硅橡胶结 [14] Lazarov B S, Sigmund O. Filters in topology optimization
based on Helmholtz-type differential equations[J]. Inter-
构的指向性调控作用进行验证。另外，在更低的频
national Journal for Numerical Methods in Engineering,
率开展设计时，这种圆台形调控结构可能会需要更 2011, 86(6): 765–781.
