图文导读

图1 Graphical abstract

新型声学元件，如声二极管、声单向透镜和拓扑绝缘体等，在声学通信、声纳系统、噪声控制和成像技术领域有着广阔应用前景。实现声波非互易传播是设计新型声学元件的关键。线性时不变系统均严格遵循Betti-Maxwell互易定理，而这一固有特性限制了其实现声波非互易传播的可能性。近年来，探究声波非互易传递机理并研发新型声非互易元件是结构声学和声学超材料领域研究的前沿，受到越来越多研究者的关注。此外，空气介质结构声学系统的能量比固、液介质声学系统低3～4个数量级，具有较大耗散，并缺乏可物理实现的强非线性元件，故难以构建空气介质强非线性实验原型系统；且在强非线性系统的相关研究中，鲜见关于声波不对称传输的定量实验研究。

鉴此，浙江工业大学金江明副教授团队创建了一个包含波导、声腔和非线性薄膜的不对称强非线性结构声系统，揭示了一种空气介质结构声系统实现声能量非互易传递的新机制。研究成果以“Realization of Nonreciprocal Acoustic Energy Transfer Using Asymmetric Strong Nonlinear Vibro-Acoustic System”为题发表于《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）。理论建模、数值仿真和实验研究结果表明：由于非线性模态具有的能量依赖性，在相同能量水平、不同方向声激励下，系统处于不同非线性模态，同时在特定能量输入时非线性模态间发生强相互作用，因此，由于系统传递函数的不对称，系统声能量传递具有大非互易性。该研究对新型隔声元件设计、双向声通信和声能收集等领域具有潜在应用价值，并为非互易结构声系统设计提供了理论依据和实验参考。后续将进一步开展由多晶胞组成的扩展晶格研究。扩展晶格系统的自由度增大，系统的非线性模式增加，从而可实现共振捕获级联，进而实现更宽频率和能量范围内的非互易声能传递。

Abstract: In this paper, an asymmetric vibroacoustic system that can passively realize nonreciprocal transmission of acoustic energy is reported. This experimental system consists of a waveguide, a strongly nonlinear membrane, and three acoustic cavities with different sizes. The theoretical modeling of the system is verified by experiments, and parametric analysis is also carried out. These intensive studies reveal the nonreciprocal transmission of acoustic energy in this prototype system. Under forward excitation, internal resonance between the two nonlinear normal modes of the vibroacoustic system occurs, and acoustic energy is irreversibly transferred from the waveguide to the nonlinear membrane. However, under backward excitation, there is no internal resonance in the system. Energy spectra and wavelet analysis are used to highlight the mechanism of nonreciprocal transfer of acoustic energy. Consequently, nearly unidirectional (preferential) transmission of acoustic energy transfer is shown by this system. The nonreciprocal acoustic energy transfer method illustrated in this paper provides a new way to design the odd acoustic element.

该文亮点：

1. 提出了一种能够在空气介质中实现声能量非互易被动传递的不对称强非线性结构声系统；

2. 建立了二自由度的结构声系统简化理论模型，并搭建了实验原型系统；

3. 在相同水平、不同方向激励下，提出的系统处于不同的非线性模态，实现了声能量的非互易传递；

4. 提出了一种在结构声系统实现声能量非互易传递的新机制。

Highlights:

1. An asymmetric strong nonlinear vibro-acoustic system that can achieve nonreciprocal transmission of sound energy in air medium is proposed.

2. A simplified two degrees-of-freedom theoretical model of vibro-acoustic system is established and an experimental phototype system is constructed.

3. The proposed system exhibits different nonlinear modes under the same level and different directions of excitation, thereby realizing nonreciprocal transmission of acoustic energy.

4. The mechanism for achieving nonreciprocal transmission of sound energy in a vibro-acoustic device is presented.

Keywords: vibroacoustic system, acoustic nonreciprocity, nonlinear normal mode, transient resonance capture

DOI: 10.1002/msd2.12099

To Share: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12099（点击链接直达原文）

To Cite: Jin J, Huang J, Xiao Y. Realization of nonreciprocal acoustic energy transfer using an asymmetric strong nonlinear vibroacoustic system. Int J Mech Syst Dyn. 2024; 4(1): 99-114. doi: 10.1002/msd2.12099

作 者 介 绍

金江明 浙江工业大学机械工程学院副教授，博士生导师；浙江大学博士。研究方向为非线性振动声学系统和近场声学全息。

黄景啸 浙江工业大学研究生，研究方向为非线性非互易结构声系统。

肖岳鹏 浙江工业大学研究生，研究方向为非线性非互易结构声系统。

期 刊 简 介

IJMSD由来自18个国家的21位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创办。主编为国际机械系统动力学学会(International Society of Mechanical System Dynamics, ISMSD)主席、中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编为加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili 院士，国际理论与应用力学联盟(International Union of Theoretical and Applied Mechanics, IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(International Association for Multibody System Dynamics, IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard 教授和美国工程院及科学院院士、欧洲科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang 院士。

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