空气中波导型声透镜实现声聚焦的仿真与实验研究

【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。
【关键词】：波导型声透镜 空气中声聚焦 声波动方程 数值模拟 线阵扫描方法
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB51;O422