基于線性或者角動(dòng)量偏置的非互易式聲學(xué)裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】基于線性或者角動(dòng)量偏置的非互易式聲學(xué)裝置 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001 ] 本申請(qǐng)要求于2013年8月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/868,178"Non- Reciprocal Acoustic Devices Based on Angular Momentum Biasing"的優(yōu)先權(quán)，其全部 內(nèi)容W引用的方式并入本文。 政府利益
[0002] 依據(jù)美國(guó)國(guó)防威脅降低局批準(zhǔn)號(hào)皿TRA1-12-1-0022的條款，美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具 有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上設(shè)及非互易式裝置(non-reciprocal devices)，并且更加具體地設(shè) 及基于角動(dòng)量偏置的非互易式聲學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0004] 波傳播的非互易性是一種源自時(shí)間反演對(duì)稱性破缺（time-reversal symmet巧 breaking)的介質(zhì)的迷人特性。根據(jù)卡西米爾-翁薩格(Casimir-化sager)原理，要使裝置是 非互易式的，則其散射矩陣（scattering matrix)必須取決于時(shí)間反演上的奇數(shù)矢量。例 如，在運(yùn)種非互易式裝置(例如，隔離器、二極管）中，波在一個(gè)方向上完全傳輸并且在另一 個(gè)方向上完全反射。近來(lái)，已經(jīng)討論過(guò)多種在線性裝置中實(shí)現(xiàn)單向聲音傳播的提議，但是大 多數(shù)運(yùn)些構(gòu)思均使用了非對(duì)稱的線性結(jié)構(gòu)，而非對(duì)稱的線性結(jié)構(gòu)無(wú)任何類型的奇數(shù)矢量偏 置，使得該裝置在時(shí)間反演上完全對(duì)稱并且因此完全是互易式的。運(yùn)些線性裝置表現(xiàn)為非 對(duì)稱模式的轉(zhuǎn)換器，而不是隔離器。運(yùn)些線性裝置不可W用于進(jìn)行聲音隔離，運(yùn)是因?yàn)?，?果使輸入和輸出逆轉(zhuǎn)，如起到在兩個(gè)端口之間的二極管的作用的裝置所要求的，則從嚴(yán)格 意義上講，傳播是互易式的。
[0005] 實(shí)現(xiàn)聲學(xué)非互易性并且適合用于進(jìn)行隔離的可行方案是使用非線性介質(zhì)。例如， 我們可W將聲子晶體(phononic crys化1)與能夠轉(zhuǎn)換波的頻率的非線性介質(zhì)組成一對(duì)。一 方面，由于晶體是在帶隙(band gap)中操作，所W對(duì)波進(jìn)行反射。另一方面，將波頻率轉(zhuǎn)換 為晶體的傳播帶中的值，并且因此通過(guò)該結(jié)構(gòu)傳輸。然而，該方案需要非常高的輸入功率并 且難W與在線性聲學(xué)中通常碰到的低強(qiáng)度信號(hào)一起有效地操作。作為另外的缺陷，尤其是 對(duì)于聲波是有問(wèn)題的，該方案大幅地更改了信號(hào)的頻率。盡管，在原則上，物理定律允許在 線性系統(tǒng)中進(jìn)行非互易式傳播。磁偏置可W誘導(dǎo)非互易性，就如在聲學(xué)法拉第效應(yīng)的情況 下一樣，但是磁聲學(xué)效應(yīng)較弱并且可能需要比波長(zhǎng)大很多的大型裝置。已經(jīng)提出用機(jī)械運(yùn) 動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)回轉(zhuǎn)器(非互易式移相器），但是在磁偏置的情況下，所獲得的裝置非常龐大 并且嚴(yán)格限于管道上的橫波。仍然不存在一種線性的緊湊的聲學(xué)非互易式裝置的方案，用 于氣體(例如，空氣）中的縱波，并且高度適用于聽(tīng)得見(jiàn)的聲音的隔離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，非互易式裝置包括:具有角動(dòng)量偏置的方位對(duì)稱的聲 學(xué)腔。該非互易式裝置進(jìn)一步包括連接至所述方位對(duì)稱的聲學(xué)腔的多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)，其中，多 個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的每一個(gè)均與輸入端口和輸出端口相關(guān)聯(lián)。此外，該非互易式裝置包括所述 多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第一聲學(xué)波導(dǎo)的輸入端口，所述輸入端口由聲波激發(fā)。方位對(duì)稱的聲學(xué) 腔按照如下方式進(jìn)行偏置:誘導(dǎo)聲波完全傳輸至所述多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第二聲學(xué)波導(dǎo)的輸 出端口并且聲波不會(huì)傳輸至所述多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第Ξ聲學(xué)波導(dǎo)的輸出端口。
[0007] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，非互易式裝置包括：具有角動(dòng)量偏置的聲學(xué)腔，其 中，該聲學(xué)腔由彼此聯(lián)接的子腔組成，W及其中，該角動(dòng)量偏置由子腔的聲學(xué)特性的時(shí)間調(diào) 制來(lái)實(shí)現(xiàn)。該非互易式裝置進(jìn)一步包括連接至所述聲學(xué)腔的多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)，其中，所述多個(gè) 聲學(xué)波導(dǎo)中的每一個(gè)均與輸入端口和輸出端口相關(guān)聯(lián)。此外，該非互易式裝置包括所述多 個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第一聲學(xué)波導(dǎo)的輸入端口，所述輸入端口由聲波激發(fā)。聲學(xué)腔按照如下方 式進(jìn)行偏置:誘導(dǎo)聲波完全傳輸至所述多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第二聲學(xué)波導(dǎo)的輸出端口，并且 聲波不會(huì)傳輸至所述多個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)中的第Ξ聲學(xué)波導(dǎo)的輸出端口。
[0008] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，非互易式裝置包括聲學(xué)腔，其中，該聲學(xué)腔由平面腔 組成，在該平面腔中，通過(guò)橫向移動(dòng)介質(zhì)或者時(shí)間調(diào)制來(lái)施加線性動(dòng)量偏置。該非互易式裝 置進(jìn)一步包括連接至聲學(xué)腔的一對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)，其中，該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)中的每一個(gè)均與輸入端 口和輸出端口相關(guān)聯(lián)。此外，該非互易式裝置包括該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)中的第一聲學(xué)波導(dǎo)的輸入 端口，所述輸入端口由聲波激發(fā)。聲學(xué)腔按照如下方式進(jìn)行偏置:誘導(dǎo)在該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)的第 一聲學(xué)波導(dǎo)的輸入端口中被激發(fā)的聲波完全傳輸至該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)中的第二聲學(xué)波導(dǎo)的輸 出端口，其中，聲學(xué)腔按照如下方式進(jìn)行偏置:誘導(dǎo)在該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)的第二聲學(xué)波導(dǎo)的輸入 端口中被激發(fā)的聲波零傳輸至該對(duì)聲學(xué)波導(dǎo)中的第一聲學(xué)波導(dǎo)的輸出端口。
[0009] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，非互易式裝置包括聲學(xué)腔，其中，該聲學(xué)腔由平面腔 組成，在該平面腔中，通過(guò)橫向移動(dòng)介質(zhì)或者時(shí)間調(diào)制來(lái)施加線性動(dòng)量偏置，W及其中，該 聲學(xué)腔由在自由空間中傳播的聲波激發(fā)。該聲學(xué)腔的表面是部分透明的，W便允許聲波穿 透到聲學(xué)腔中。
[0010] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一種由非互易式裝置的晶格制成的人造聲學(xué)介質(zhì)， 其中，該聲學(xué)介質(zhì)通過(guò)如下方式變?yōu)榉腔ヒ资剑合蚓Ц竦拿總€(gè)元件施加角或者線性動(dòng)量偏 置，從而使人造聲學(xué)介質(zhì)W批量模式和邊緣模式進(jìn)行非互易式傳播。
[0011] 上文已經(jīng)較一般地概述了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，W便使 下文對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述可W得到更好地理解。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文進(jìn)行描 述，運(yùn)些其它特征和優(yōu)點(diǎn)可W形成本發(fā)明的權(quán)利要求書的主題。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 當(dāng)結(jié)合W下附圖考慮W下詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，可W獲得對(duì)本發(fā)明更好的理解，在附圖中：
[0013] 圖1A圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通過(guò)使內(nèi)部流體循環(huán)而偏置的聲學(xué)環(huán)形腔；
[0014] 圖1B圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的根據(jù)本發(fā)明的分析模型對(duì)第一逆向傳播本征 模式進(jìn)行分裂的結(jié)果，該分裂與偏置速度成正比；
[001引圖1煙示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分析預(yù)測(cè)與全波模擬之間的比較，顯示了對(duì)與 右手側(cè)和左手側(cè)模式相關(guān)聯(lián)的本征頻率進(jìn)行的分裂；
[0016] 圖ID圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的連接至Ξ端口系統(tǒng)的聲學(xué)二極管的概略圖，該 Ξ端口系統(tǒng)由偏置環(huán)形腔和聯(lián)接至偏置環(huán)形腔的Ξ個(gè)聲學(xué)波導(dǎo)組成；
[0017] 圖2Α圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的，當(dāng)未向圖1D的聲學(xué)循環(huán)器施加偏置時(shí)，在端 口 2和端口 3處的傳輸頻譜相同。
[0018] 圖2Β圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的，通過(guò)調(diào)整圖1D的聲學(xué)循環(huán)器的偏置速度，使 得在共振頻率下，在端口 2處獲得零傳輸并且在端口 3處獲得完全傳輸；
[0019] 圖2C圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的對(duì)圖1D的裝置的非互易傳輸特性的偏置速度 進(jìn)行改變的效果；
[0020] 圖2D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分布在圖1D的未偏置裝置內(nèi)部的聲學(xué)壓力場(chǎng)；
[0021] 圖2Ε圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)圖1D的裝置恰當(dāng)?shù)仄脮r(shí)，在第Ξ波導(dǎo)中的 聲波完全傳輸，同時(shí)在第二波導(dǎo)中的聲級(jí)為零；
[0022] 圖3Α圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、包含了本發(fā)明的原理的制造裝置；
[0023] 圖3Β圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的，當(dāng)風(fēng)扇沒(méi)有通電時(shí)，對(duì)從端口 1入射的聲波向 端口 2和端口 3的聲音傳輸?shù)臏y(cè)量；
[0024] 圖3C圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的，當(dāng)將風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)為產(chǎn)生最佳非互易行為 時(shí)，對(duì)從端口 1入射的聲波向端口 2和端口 3的聲音傳輸?shù)臏y(cè)量；
[0025] 圖3D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的規(guī)范化為未偏置情況的測(cè)量傳輸頻譜，該測(cè)量 傳輸頻譜作為輸入電流的函數(shù)，輸入電流與風(fēng)扇速度成比例；W及
[0026] 圖3Ε圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的作為輸入電流的函數(shù)的測(cè)量分貝隔離，其示出 了在設(shè)計(jì)速度下的大量（>30d)非互易性。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如在【背景技術(shù)】部分中敘述的，用于實(shí)現(xiàn)聲學(xué)非互易性并且適合用于進(jìn)行隔離的可 行方案是使用非線性介質(zhì)。例如，我們可W將聲子晶體與能夠轉(zhuǎn)換波的頻率的非線性介質(zhì) 組成一對(duì)。