基于线性或者角动量偏置的非互易式声学装置的制造方法
【专利说明】基于线性或者角动量偏置的非互易式声学装置 相关申请的交叉引用
[0001 ] 本申请要求于2013年8月21日提交的美国临时专利申请序列号61/868,178"Non- Reciprocal Acoustic Devices Based on Angular Momentum Biasing"的优先权，其全部 内容W引用的方式并入本文。 政府利益
[0002] 依据美国国防威胁降低局批准号皿TRA1-12-1-0022的条款，美国政府对本发明具 有一定权利。
技术领域
[0003] 本发明大体上设及非互易式装置(non-reciprocal devices)，并且更加具体地设 及基于角动量偏置的非互易式声学装置。
【背景技术】
[0004] 波传播的非互易性是一种源自时间反演对称性破缺（time-reversal symmet巧 breaking)的介质的迷人特性。根据卡西米尔-翁萨格(Casimir-化sager)原理，要使装置是 非互易式的，则其散射矩阵（scattering matrix)必须取决于时间反演上的奇数矢量。例 如，在运种非互易式装置(例如，隔离器、二极管）中，波在一个方向上完全传输并且在另一 个方向上完全反射。近来，已经讨论过多种在线性装置中实现单向声音传播的提议，但是大 多数运些构思均使用了非对称的线性结构，而非对称的线性结构无任何类型的奇数矢量偏 置，使得该装置在时间反演上完全对称并且因此完全是互易式的。运些线性装置表现为非 对称模式的转换器，而不是隔离器。运些线性装置不可W用于进行声音隔离，运是因为，如 果使输入和输出逆转，如起到在两个端口之间的二极管的作用的装置所要求的，则从严格 意义上讲，传播是互易式的。
[0005] 实现声学非互易性并且适合用于进行隔离的可行方案是使用非线性介质。例如， 我们可W将声子晶体(phononic crys化1)与能够转换波的频率的非线性介质组成一对。一 方面，由于晶体是在带隙(band gap)中操作，所W对波进行反射。另一方面，将波频率转换 为晶体的传播带中的值，并且因此通过该结构传输。然而，该方案需要非常高的输入功率并 且难W与在线性声学中通常碰到的低强度信号一起有效地操作。作为另外的缺陷，尤其是 对于声波是有问题的，该方案大幅地更改了信号的频率。尽管，在原则上，物理定律允许在 线性系统中进行非互易式传播。磁偏置可W诱导非互易性，就如在声学法拉第效应的情况 下一样，但是磁声学效应较弱并且可能需要比波长大很多的大型装置。已经提出用机械运 动来实现声学回转器(非互易式移相器），但是在磁偏置的情况下，所获得的装置非常庞大 并且严格限于管道上的横波。仍然不存在一种线性的紧凑的声学非互易式装置的方案，用 于气体(例如，空气）中的纵波，并且高度适用于听得见的声音的隔离。
【发明内容】
[0006] 在本发明的一个实施例中，非互易式装置包括:具有角动量偏置的方位对称的声 学腔。该非互易式装置进一步包括连接至所述方位对称的声学腔的多个声学波导，其中，多 个声学波导中的每一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述 多个声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。方位对称的声学 腔按照如下方式进行偏置:诱导声波完全传输至所述多个声学波导中的第二声学波导的输 出端口并且声波不会传输至所述多个声学波导中的第Ξ声学波导的输出端口。
[0007] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括：具有角动量偏置的声学腔，其 中，该声学腔由彼此联接的子腔组成，W及其中，该角动量偏置由子腔的声学特性的时间调 制来实现。该非互易式装置进一步包括连接至所述声学腔的多个声学波导，其中，所述多个 声学波导中的每一个均与输入端口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括所述多 个声学波导中的第一声学波导的输入端口，所述输入端口由声波激发。声学腔按照如下方 式进行偏置:诱导声波完全传输至所述多个声学波导中的第二声学波导的输出端口，并且 声波不会传输至所述多个声学波导中的第Ξ声学波导的输出端口。
[0008] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括声学腔，其中，该声学腔由平面腔 组成，在该平面腔中，通过横向移动介质或者时间调制来施加线性动量偏置。该非互易式装 置进一步包括连接至声学腔的一对声学波导，其中，该对声学波导中的每一个均与输入端 口和输出端口相关联。此外，该非互易式装置包括该对声学波导中的第一声学波导的输入 端口，所述输入端口由声波激发。声学腔按照如下方式进行偏置:诱导在该对声学波导的第 一声学波导的输入端口中被激发的声波完全传输至该对声学波导中的第二声学波导的输 出端口，其中，声学腔按照如下方式进行偏置:诱导在该对声学波导的第二声学波导的输入 端口中被激发的声波零传输至该对声学波导中的第一声学波导的输出端口。
[0009] 在本发明的另一个实施例中，非互易式装置包括声学腔，其中，该声学腔由平面腔 组成，在该平面腔中，通过横向移动介质或者时间调制来施加线性动量偏置，W及其中，该 声学腔由在自由空间中传播的声波激发。该声学腔的表面是部分透明的，W便允许声波穿 透到声学腔中。
[0010] 在本发明的另一个实施例中，一种由非互易式装置的晶格制成的人造声学介质， 其中，该声学介质通过如下方式变为非互易式：向晶格的每个元件施加角或者线性动量偏 置，从而使人造声学介质W批量模式和边缘模式进行非互易式传播。
[0011] 上文已经较一般地概述了本发明的一个或多个实施例的特征和技术优点，W便使 下文对本发明的详细描述可W得到更好地理解。本发明的其它特征和优点将在下文进行描 述，运些其它特征和优点可W形成本发明的权利要求书的主题。
【附图说明】
[0012] 当结合W下附图考虑W下详细说明时，可W获得对本发明更好的理解，在附图中：
[0013] 图1A图示了根据本发明的实施例的通过使内部流体循环而偏置的声学环形腔；
[0014] 图1B图示了根据本发明的实施例的根据本发明的分析模型对第一逆向传播本征 模式进行分裂的结果，该分裂与偏置速度成正比；
[001引图1烟示了根据本发明的实施例的分析预测与全波模拟之间的比较，显示了对与 右手侧和左手侧模式相关联的本征频率进行的分裂；
[0016] 图ID图示了根据本发明的实施例的连接至Ξ端口系统的声学二极管的概略图，该 Ξ端口系统由偏置环形腔和联接至偏置环形腔的Ξ个声学波导组成；
[0017] 图2Α图示了根据本发明的实施例的，当未向图1D的声学循环器施加偏置时，在端 口 2和端口 3处的传输频谱相同。
[0018] 图2Β图示了根据本发明的实施例的，通过调整图1D的声学循环器的偏置速度，使 得在共振频率下，在端口 2处获得零传输并且在端口 3处获得完全传输；
[0019] 图2C图示了根据本发明的实施例的对图1D的装置的非互易传输特性的偏置速度 进行改变的效果；
[0020] 图2D图示了根据本发明的实施例的分布在图1D的未偏置装置内部的声学压力场；
[0021] 图2Ε图示了根据本发明的实施例，当图1D的装置恰当地偏置时，在第Ξ波导中的 声波完全传输，同时在第二波导中的声级为零；
[0022] 图3Α图示了根据本发明的实施例的、包含了本发明的原理的制造装置；
[0023] 图3Β图示了根据本发明的实施例的，当风扇没有通电时，对从端口 1入射的声波向 端口 2和端口 3的声音传输的测量；
[0024] 图3C图示了根据本发明的实施例的，当将风扇速度调节为产生最佳非互易行为 时，对从端口 1入射的声波向端口 2和端口 3的声音传输的测量；
[0025] 图3D图示了根据本发明的实施例的规范化为未偏置情况的测量传输频谱，该测量 传输频谱作为输入电流的函数，输入电流与风扇速度成比例；W及
[0026] 图3Ε图示了根据本发明的实施例的作为输入电流的函数的测量分贝隔离，其示出 了在设计速度下的大量（>30d)非互易性。
【具体实施方式】
[0027] 如在【背景技术】部分中叙述的，用于实现声学非互易性并且适合用于进行隔离的可 行方案是使用非线性介质。例如，我们可W将声子晶体与能够转换波的频率的非线性介质 组成一对。