管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法
【專利摘要】管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法,通過合理設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值，在管道內(nèi)把目標(biāo)頻率的聲波分離為行波和駐波區(qū)域，即在管道的一端為聲行波，另一端為聲駐波。本發(fā)明可以在管道內(nèi)控制目標(biāo)頻率的聲波的能量傳播方向，在有限長管道的一端獲得無反射的聲學(xué)邊界條件，最大理論吸聲系數(shù)可達(dá)到1，同時將聲波能量限制在管道的另一端。
【專利說明】
管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及在管道內(nèi)控制聲能量的傳播方向的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用聲 阻抗不連續(xù)，在管道內(nèi)把目標(biāo)頻率的聲波分離為行波和駐波區(qū)域，從而控制目標(biāo)頻率的聲 波的能量傳播方向的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在管道內(nèi)，當(dāng)聲波頻率低于最低截止頻率時，聲波為沿管道軸線傳播的一維的平 面波。聲波在管道內(nèi)的傳播，通常會由于管道內(nèi)聲阻抗的不連續(xù)，例如橫截面的突變、旁支 管或末端聲負(fù)載的存在，造成聲波的反射。為了獲得無邊界反射的條件，通常在管道末端加 特殊的吸聲材料或者微穿孔板吸聲器，但最大理論吸聲系數(shù)難以達(dá)到1。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種在有限長管道的一端獲得無反射的 聲學(xué)邊界條件的控制方法。
[0004] 本發(fā)明通過合理設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值，可以在剛性壁管道內(nèi)把目標(biāo)頻 率的聲波分尚為行波和駐波區(qū)域，控制目標(biāo)頻率的聲波的能量傳播方向，在有限長管道的 一端獲得無反射的聲學(xué)邊界條件，最大理論吸聲系數(shù)可達(dá)到1，同時將聲波能量限制在管道 的另一端。
[0005] 本發(fā)明所述的管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法，包括以下步驟：
[0006] 1)根據(jù)聲波的角頻率co,設(shè)計管道的橫截面尺寸和長度L，使聲波的頻率低于管道 的最低截止頻率。對于圓形截面管道，管道半徑r應(yīng)該滿足
[0008]對于矩形截面管道，最大橫截面尺寸a應(yīng)該滿足
[0010] 其中co為環(huán)境溫度下的管內(nèi)流體的聲速。平面波聲源從管道的一端入射，管道的 末立而為剛性纟而蓋；
[0011] 2)設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值，聲阻抗可以寫為實(shí)部聲阻和虛部聲抗之和
[0012] Zb = Rb+jXb
[0013] 聲阻Rb和聲抗Xb的位置和數(shù)值應(yīng)滿足如下關(guān)系：
[0014] Rb = P〇c〇cos2[ 0 (L-x0)/c0], (1)
(2)
[0016] 其中XQ(0〈XQ〈L)為聲阻抗不連續(xù)與平面波聲源的距離，P QCQ為管內(nèi)流體的特性阻 抗。
[0017] 當(dāng)設(shè)計的聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值滿足公式（1)_(2)時，角頻率為co的聲波在 聲源到聲阻抗不連續(xù)位置區(qū)域（[0，XQ])為行波，在聲阻抗不連續(xù)位置到剛性端蓋的區(qū)域 ([XQ，L])為駐波。聲波的聲能量一部分在聲阻抗不連續(xù)處消耗，一部分傳遞到駐波區(qū)域，而 沒有能量反射回到聲源，相當(dāng)于在有限長封閉管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無反射聲學(xué)邊界條件，最大理 論吸聲系數(shù)為1。
[0018] 本發(fā)明通過合理設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值，可以在管道內(nèi)把目標(biāo)頻率的聲 波分離為行波和駐波區(qū)域，即在管道的一端為聲行波，另一端為聲駐波。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:可以在管道內(nèi)控制目標(biāo)頻率的聲波的能量傳播方向，在有限長 管道的一端獲得無反射的聲學(xué)邊界條件，最大理論吸聲系數(shù)可達(dá)到1，同時將聲波能量限制 在管道的另一端。
【附圖說明】：
[0020] 圖1是實(shí)施本發(fā)明方法的聲波行波和駐波區(qū)域分離管道的示意圖，其中1-平面波 聲源，2-管內(nèi)流體，3-聲阻抗不連續(xù)，4-剛性壁端蓋；
[0021] 圖2顯示管道內(nèi)理論聲壓相位和幅值分布，其中聲波頻率《 =5.7JIC0,空氣密度P0 =1.22kg/m3，聲速co = 340.4m/s，管道長度為lm，直徑為100mm，聲阻抗不連續(xù)距離聲源位置 x〇 = 0.7m，聲阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg ? s/m2,管道內(nèi)理論的聲壓相位和幅值分布：圖 2a是歸一化聲壓相位的空間分布不意圖；圖2b是歸一化聲壓幅值分布不意圖；
[0022]圖3顯示聲音能量隨時間和空間的變化，中聲波頻率《 =5.7JIC0,空氣密度P〇 = 1.22kg/m3,聲速c〇 = 340.4m/s，管道長度為lm，直徑為10〇1111]1，聲阻抗不連續(xù)距離聲源位置1〇 = 0.7m，聲阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg?s/m2，圖3a表示聲壓動能隨時間和位置的變化 ； 圖3b表示總聲能量隨時間和位置的變化。
【具體實(shí)施方式】：
[0023] 下面參照附圖和具體實(shí)例，進(jìn)一步說明本發(fā)明：
[0024] 本發(fā)明所述的管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法，利用聲阻抗不連續(xù)把目標(biāo) 頻率聲波分離為行波和駐波區(qū)域，包括以下步驟：
[0025] 1)根據(jù)聲波的角頻率co,設(shè)計管道的橫截面尺寸和長度L，使聲波的頻率低于管道 的最低截止頻率。
[0026]在本例中，假設(shè)環(huán)境溫度為15°C，管道內(nèi)流體為空氣，空氣聲速co約為340.4m/s， 密度Po約為1.22kg/m3。假設(shè)目標(biāo)聲波的角頻率為《=5.71〇,選擇圓形截面管道，則管道的 半徑應(yīng)該滿足
[0028] 取直徑為100mm的剛性壁圓形截面管道，長度L為lm，則目標(biāo)頻率的聲源以平面波 的形式在管道內(nèi)傳播；
[0029] 2)設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值。在本例中，取XQ = 0.7m，根據(jù)公式（1)-(2)，計 算聲阻抗的數(shù)值。在本例的參數(shù)下，聲阻抗Zb=(156.02-201.12j)kg?s/m 2;
[0030] 3)本例中，當(dāng)在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)行波和駐波的分離時，理論的聲壓相位的空間分布如 附圖2a所示，線性的相位部分代表行波區(qū)域，同相位或反相位部分代表駐波區(qū)域;理論的聲 壓的幅值分布如附圖2b所示，各位置聲壓幅值相等部分代表行波區(qū)域，存在聲壓節(jié)點(diǎn)部分 代表駐波區(qū)域。這樣，管道內(nèi)特定頻率的聲波，從聲阻抗不連續(xù)處被分離為行波區(qū)域和駐波 區(qū)域。在聲阻抗不連續(xù)處的理論吸聲系數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)了無邊界反射的條件。
[0031 ] 4)本例中，當(dāng)在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)行波和駐波的分離時，聲壓動能隨時間和位置的變化 如附圖3a所示，左邊為以行波形式入射的聲壓動能，右邊為以駐波形式存在的聲壓動能;總 聲能量隨時間和位置的變化如附圖3b所示，左邊為以行波形式入射的聲能量，右邊為以駐 波形式存在的聲能量，聲能量在聲阻抗不連續(xù)，一部分能量被消耗，一部分能量傳到駐波區(qū) 域，而沒有聲能量被反射回聲源，實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)聲能量的傳播方向的控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.管道內(nèi)行波和駐波區(qū)域分離的控制方法，包括以下步驟： 1) 根據(jù)聲波的角頻率ω，設(shè)計管道的橫截面尺寸和長度L，使聲波的頻率低于管道的最 低截止頻率;對于圓形截面管道，管道半徑r滿足對于矩形截面管道，最大橫截面尺寸a應(yīng)該滿足其中c〇為環(huán)境溫度下的管內(nèi)流體的聲速。平面波聲源從管道的一端入射，管道的末端為 剛性端蓋； 2) 設(shè)計聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值，聲阻抗可以寫為實(shí)部聲阻和虛部聲抗之和 Zb=Rb+jXb 聲阻Rb和聲抗Xb的位置和數(shù)值應(yīng)滿足如下關(guān)系： Rb = Pococos2[ ω (L-xo)/co], (1)其中XQ(0〈XQ〈L)為聲阻抗不連續(xù)與平面波聲源的距離，Poco為管內(nèi)流體的特性阻抗； 當(dāng)設(shè)計的聲阻抗不連續(xù)的位置和數(shù)值滿足公式（1)-(2)時，角頻率為ω的聲波在聲源 到聲阻抗不連續(xù)位置區(qū)域（[〇，xo])為行波，在聲阻抗不連續(xù)位置到剛性端蓋的區(qū)域（[xo， L])為駐波;聲波的聲能量一部分在聲阻抗不連續(xù)處消耗，一部分傳遞到駐波區(qū)域，而沒有 能量被反射回到聲源，相當(dāng)于在有限長封閉管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無反射聲學(xué)邊界條件，最大理論 吸聲系數(shù)為1。
【文檔編號】G06F19/00GK105930650SQ201610243137
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】肖永雄, 張瑤, 盧奐采, 勞倫斯·伯格曼
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)