《可通流体的非对称声传输结构》文献综述
研究目的和意义
目前，关于声波单向传播的研究相对来说比较少，关于能传输流体的非对称声传输结构就更少了，因此利用介质特殊的物理性设计出不一样的传输结构，并对其内部声波的非对称性传播效应进行研究具有重大意义。随着现代工业的发展，特别是强力风机，风洞，喷气装置的不断发展。管道中的强噪声危害被人们重视起来。所以减弱或消除这些系统或设备管道中的噪声，即管道降噪是非常重要的研究课题。尽管人们开始关注开发具有非对称传播特性的声波导，但他们通常依赖于周期性结构或天然材料，虽然他们具有超轻透明，非对称传输等优势。但是这些结构或自然材料必然会阻塞声波或仅在共振下起作用的超表面。但是在实际情况中，比如通风管道或特殊声学的走廊等，往往需要单向且畅通的管道结构。因此我们需要设计一种具有连通结构，可传输流体的非对称传输管道结构。在各种情况下都有潜在的应用，例如需要开放声路和带宽的管道噪声控制和微流体装置设计。
非对称声传播器件的发展历史和研究概况
过去十几年来，科学家们探索各种机制来实现非对称声传输，而通常人们认为声总是对称传播的 。1989年声二极管的概念出现，美国的一项专利中首次提出声二极管的概念，但人们对声二极管的研究仅限于减少背向反射，和电子二极管不能类比，因为该器件仅能对声能流进行整流但不能做到反向声能流的阻隔。Nesterenko等利用颗粒材料构建的非线性结构中实现了孤波的异常反射。2009年Liang等利用非线性介质和一维声子晶体相结合的方法提出了一种声整流模型，在实验中观察到了声能量的整流效应，首次解决了声波不能单向传输的历史性难题。然而，这种声单向机理依赖非线性谐波来携带传输声能量，又因为非线性体系存在能量转化率低，工作带宽短等固有缺陷，所以该器件难以实际应用。2011年Li等结合衍射结构和二维声子晶体的复合结构获得了另一种线性非对称传播器件，使得此类器件在各方面的性能都得到了显著提升。这种方法的优点是转化效率较高，能量损耗较低，但是产生的透射波能流比较发散，不能集中应用。该课题组发展了基于声子晶体偏禁带效应的声单向波导，具有宽带非对称传输性质的声学梯度材料及非对称声源重建机制的薄层单向器件等。2013年Li等提出了利用零折射率材料的零界角近零这一特殊性质来构成单向棱镜的机理，解决了正向传播的声波通常因为衍射效应导致相位混乱的问题。在实现单向传输的同时保证传播相位不变及出射方向可控。但是，声超构材料必须依赖亚波长中的共振效应，因而该类器件存在制备复杂，工作频带窄等问题。2014年Cummer等提出了引入非线性倍频电路和非对称的声学结构来增强谐波转化率，使得声波非互易传输更高效。2016年Zhu等实现了可保持原有频率的非互易声学器件。除此之外，人们也提出采用其它结构实现声波的非对称性单向传播。例如采用两种不同栅格常数与圆柱半径的声子晶体，将它们排列成三角形结构再组合成一个方形声子晶体。
随着非对称声传输结构研究的快速发展，在无源条件下实现管道中的噪声抑制的问题也得到了人们的关注，并且有突破性发展。2012年Yuan等率先利用声子晶体在波导管中实现了声波的单向传输。这种方法能够在一定频段内实现声波单向导通，但在其他频段正负方向入射的声波透射效果并没有很大差别。Zhu等利用声超构材料实现了声波在平直波导管中的单向传输，这些基于超材料的器件，在尺寸，传输效率方面有很大优势，但由于受制于其依赖腔体的共振频率，导致器件频宽受限制。Liang等利用具有特殊反射性的声超材料实现了宽带范围内的声单向传播结构，但该结构只对具有一定折角的波导管适用。
现有的非对称声传播机理
根据声场互易性原理可知，声波在传播时会表现出互易的性质，即声波可以在介质中沿着任意两个相反的方向传播，其传播特性没有区别，这是由波动方程所决定的。在表现形式上，主要表现为时间反演和空间反演的对称性。因此，为了实现声波的非对称传播，必须采用某种结构或机制同时破坏这种对称性。目前，实现声波非对称传播的方法主要有以下几种（1）由声子晶体和非线性声学介质组成的声二极管模型.（2）利用模式转换和模式选择实现兰姆波的非对称传播。（3）基于衍射结构和声子晶体组成的声波非对称透射复合结构。（4）基于声子晶体的单向声波导模型。（5）周期性排列的三角形孔的薄板结构。（6）由两种声子晶体组成的方形声波整流结构。（7）基于三棱镜结构的声波非对称透射传播结构。目前实现非对称声传播的相关研究已取得一定成果，开展该领域中结构隐身方面的原理性探索研究，对工程应用有着重要的意义。
前景及应用
