空气中波导型声透镜实现声聚焦的仿真与实验研究

论文摘要

声透镜是实现声聚焦的一条重要技术途径,它通过改变声传播路径上介质分布和引入适当相移,从而使波阵面指向性发生改变,从而作用于声场,实现聚焦。本文介绍了空气中波导型和障碍物型声透镜的基本设计理论。基于有限元方法和波动方程,建立了声透镜辐射声场的数值计算模型。通过该模型研究了波导型声透镜结构参数（包括叶片数目、间距、偏角和焦距）和声源频率对聚焦声场特性的影响,进而对波导型声透镜各结构参数进行了优化设计。完成了三维波导型声透镜的结构设计,分析了透镜工作的带宽。数值计算给出了三维聚焦声场结果。以电声阵列为发声源,在1k Hz左右频率条件下对所完成设计加工声透镜装置的特性进行实验测试,通过线阵扫描方法获取了水平、垂直和平行平面上的声场分布。研究表明,聚焦增益随叶片偏角的增加而增大,然而过大的偏角反而使声透镜失效。当叶片偏角较小和设计焦距较大时,透镜呈现出聚束特性。衍射作用使得通过射线法设计的声透镜,其焦距与实际焦距存在明显差异。在衍射极限的制约下,在声透镜孔径不变的情况下,提高声源频率可获得更大的聚焦增益。实测结果表明,电声阵列加装声透镜后可获得3-5d B的增益,且主要声波能量集中在轴线。仿真和实验结果验证了所设计波导型声透镜在空气中实现声聚焦的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 基于声透镜技术的声聚焦控制基础
• 1.2.1 声聚焦控制的种类与方法
• 1.2.2 声透镜实现声聚焦原理概述
• 1.3 论文的主要内容及结构安排
• 第二章 声透镜设计理论与聚焦声场求解
• 2.1 声透镜的类型和设计理论
• 2.1.1 障碍物型声透镜
• 2.1.2 波导型声透镜
• 2.1.3 声透镜性能指标的计算
• 2.2 基于声波动方程和有限元方法的声场求解模型
• 2.2.1 算法基本原理
• 2.2.2 声场求解分析
• 2.3 线性与非线性声场的算例与验证
• 2.3.1 线性声场的简单算例
• 2.3.2 非线性声场的简单算例
• 2.4 小结
• 第三章 波导型声透镜声场特性的仿真研究
• 3.1 二维建模
• 3.1.1 设计参数
• 3.1.2 COMSOL建模
• 3.2 结构参数影响
• 3.2.1 参数选取与规则编订
• 3.2.2 叶片间隔影响
• 3.2.3 叶片偏角影响
• 3.2.4 透镜厚度影响
• 3.2.5 小结
• 3.3 声场频率影响
• 3.3.1 对聚焦增益的影响
• 3.3.2 对焦点位置的影响
• 3.4 声透镜的聚束功能
• 3.5 低频条件下声透镜的作用
• 3.5.1 直线型波导单边
• 3.5.2 直线型波导双边
• 3.5.3 曲线形波导
• 3.6 三维结构与声场
• 3.6.1 叶片结构计算
• 3.6.2 Comsol实现
• 3.6.3 声场模拟结果
• 3.7 小结
• 第四章 波导型声透镜声场特性的实验研究
• 4.1 声透镜装置的结构与实现
• 4.2 实验系统与内容
• 4.2.1 实验系统
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验内容
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 水平平面结果分析
• 4.3.2 垂直平面结果分析
• 4.3.3 平行平面结果分析
• 4.3.4 声透镜不同加载方式对声场影响
• 4.3.5 结论
• 4.4 相关问题的讨论
• 4.4.1 声透镜结构的改良
• 4.4.2 实验中谐波的分析
• 4.4.3 双边声透镜间隙影响
• 4.5 小结
• 第五章总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 声透镜在COMSOL软件中的实现代码