【摘要】：介紹了在由雙層不同空化閾值的左右液體、通過(guò)透聲膜耦合而成的一維傳聲系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)聲能量不對(duì)稱傳輸?shù)奈锢頇C(jī)理及參數(shù)相關(guān)性.由于左右液體的空化閾值不同,導(dǎo)致超聲波在左-右和右-左傳播的空化效應(yīng)不同,出現(xiàn)了聲能量傳輸?shù)牟粚?duì)稱性.該系統(tǒng)無(wú)需精心設(shè)計(jì),易于實(shí)現(xiàn).在理論上,基于兩相流體理論提出了描述聲空化液體中聲場(chǎng)分布的動(dòng)力學(xué)模型.數(shù)值計(jì)算表明這種能量傳輸不對(duì)稱性與驅(qū)動(dòng)聲壓和兩種液體的空化閾值有關(guān),且在一定條件下整流方向會(huì)出現(xiàn)反向.實(shí)驗(yàn)中建立自動(dòng)控制逐點(diǎn)聲壓測(cè)量系統(tǒng),研究了不同空化閾值液體組合中不同驅(qū)動(dòng)下的聲壓幅值分布,證實(shí)了上述聲能量傳輸不對(duì)稱性的存在.本文的設(shè)想為實(shí)現(xiàn)聲波單向傳輸提供了一種新的思路.
【圖文】：

能量傳輸現(xiàn)象，即熱整流現(xiàn)象［２］．之后，聲波能量的不對(duì)稱傳輸現(xiàn)象，即聲二極管也被發(fā)現(xiàn)，并得到了實(shí)驗(yàn)的支持［３］．人們通過(guò)數(shù)學(xué)等效的ＬＣ傳輸線電路，對(duì)熱整流現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果也支持了先前數(shù)值模擬的結(jié)果［４］．這些能量不對(duì)稱傳輸系統(tǒng)通常都是精心設(shè)計(jì)和構(gòu)造的．本文給出一個(gè)簡(jiǎn)單的一維相互耦合的左右液體系統(tǒng)，當(dāng)強(qiáng)超聲通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，也能顯示出聲波能量傳輸?shù)牟粚?duì)稱性，這種不對(duì)稱性與輸入聲波的強(qiáng)度以及液體的性質(zhì)有關(guān)．１原理介紹不對(duì)稱聲能量傳輸系統(tǒng)原理如圖１所示．設(shè)有左右兩種液體，其空化閾值（Ｑ）不同，分別為ＱＬ和ＱＲ，設(shè)ＱＬ≥ＱＲ．為了便于分析，，假設(shè)左右液體的其他物理性質(zhì)相同，如密度、黏度、聲速等，即ρＬ＝ρＲ、μＬ＝μＲ、ｃＬ＝ｃＲ．驅(qū)動(dòng)聲壓Ｐ＝ＰＬ＝ＰＲ．當(dāng)聲波由左端向右端傳輸時(shí)（Ｌ－Ｒ傳輸），聲壓始終低于空化閾值，所以空化不會(huì)發(fā)生，不存在空化泡導(dǎo)致的衰減，所有的衰減由溶液本身以及容器壁的吸收引起．當(dāng)聲波由右端向左端傳輸時(shí)（Ｒ－Ｌ傳輸），由于ＱＲ遠(yuǎn)小于ＰＲ，右側(cè)液體中將發(fā)生強(qiáng)烈空化，空化泡的屏蔽作用［５］引起聲能量迅速衰減［６－７］，并且會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波［８－９］．當(dāng)聲波傳播至左側(cè)液體中后，雖然不會(huì)發(fā)生空化，但由于高頻聲波的衰減速度更快［１０－１１］，聲能量會(huì)繼續(xù)以高于聲波Ｌ－Ｒ傳輸時(shí)在左側(cè)無(wú)空化區(qū)域中的衰減速度衰減．因此，當(dāng)聲波傳播方向不同時(shí)，其聲場(chǎng)分布與輸出聲壓均不相同．將這種現(xiàn)象稱為聲波的不對(duì)稱傳輸．圖１系統(tǒng)原理圖Ｆｉｇ．１Ｓ

第１期王尋等：聲波在雙層不同空化閾值液體中的不對(duì)稱傳播圖３驅(qū)動(dòng)聲壓為１．０ｂａｒ時(shí)χ隨ＱＬ和ＱＲ的變化關(guān)系Ｆｉｇ．３ＣｈａｎｇｅｓｏｆχｔｏＱＬａｎｄＱＲｗｈｅｎｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ１．０ｂａｒ３實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為了驗(yàn)證上述設(shè)想，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖４）．實(shí)驗(yàn)采用橫截面０．０９ｍ×０．０９ｍ，長(zhǎng)度０．２ｍ的方形玻璃容器．容器的左右端面為圖４實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Ｆｉｇ．４Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ厚度０．５ｍｍ的不銹鋼薄板，將兩個(gè)超聲換能器（４０Ｗ，４０ｋＨｚ）分別粘貼在不銹鋼薄板的外側(cè)．使用透聲薄膜將容器分為長(zhǎng)度相等的兩個(gè)部分，并分別裝入不同空化閾值的液體．容器內(nèi)壁貼有吸聲材料以減弱容器內(nèi)壁對(duì)聲波的反射［１７］．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用微型水泵通過(guò)進(jìn)水口和出水口控制液體循環(huán)，使得液體性質(zhì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變．構(gòu)造了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)以快速精確地測(cè)量聲場(chǎng)．計(jì)算機(jī)通過(guò)ＧＰＩＢ接口控制信號(hào)發(fā)生器（３３２５０Ａ，Ａｇｉｌｅｎｔ，ＵＳ）輸出４０ｋＨｚ正弦波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率放大器（２７１６，Ｂ＆Ｋ，Ｄｅｎ－ｍａｒｋ）放大并進(jìn)行阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲換能器．兩個(gè)換能器的工作狀態(tài)由單刀雙擲開關(guān)控制．導(dǎo)軌１與容器平行放置，導(dǎo)軌２垂直固定在導(dǎo)軌１的滑塊上．計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令至電機(jī)控制電路驅(qū)動(dòng)上述兩根導(dǎo)軌，以此控制安裝在導(dǎo)軌２滑塊上的水聽器（ＴＣ４０１３，ＲＥ－ＳＯＮ，Ｄｅｎｍａｒｋ）沿容器內(nèi)換能器中心軸線移動(dòng)以測(cè)量聲壓．需要注意的是，當(dāng)水聽器從一側(cè)液體移動(dòng)
【作者單位】： 南京大學(xué)聲學(xué)研究所和近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(11574150;11334005)
【分類號(hào)】：O422

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本文編號(hào)：2516922