[논문 리뷰] Broadband acoustic isolator in the audible range : nonreciprocal acoustic propagation using programmable boundary conditions

Sami Karkar, Etienne Rivet외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 14.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 청취 가능한 주파수 대역에서 폭넓고, 파장 이하 크기의 음향 차단기를 프로그래밍 가능한 경계 조건을 사용하여 제안한다. 비재귀적 파동 전파를 유도하기 위해 활성 경계 제어를 1차원 파동 방정식의 분포된 소스로 모델링함으로써, 장치는 정방향으로 거의 완벽한 전달을 유지하면서도 반대 방향에서 80 dB 이상의 고립도를 달성한다. 이는 3개 이상의 주파수 디아데카드에 걸쳐 초광대역 성능을 보여준다.

ABSTRACT

We propose a novel concept of nonreciprocal devices in acoustics, illustrated by the design of an acoustic diode, or isolator. A boundary control strategy was previously shown to provide direction-dependent propagation properties in acoustic waveguides. In this paper, the boundary control is reinterpreted as a source term for the inhomogeneous wave equation, in a purely 1D model. Nonreciprocity is then obtained using a distributed source that replaces the non-standard boundary condition where the normal velocity at the boundary is a function of both pressure and its tangential derivative. Numerical simulations are carried out to validate the theoretical model, and the scattering matrix of the device is retrieved to investigate the nonreciprocal nature of the system. Results show that the proposed device can lead to an efficient, ultra-broadband, sub-wavelength, acoustic isolator. Finally, the effects of actual, finite-sized transducers on the performance of the acoustic isolator are discussed.

연구 동기 및 목표

• 청취 가능한 주파수 대역에서 한 방향으로의 음향 전파를 가능하게 하는 비재귀적 음향 장치를 개발하기 위해.
• 공진 기반 차단기의 협대역 제한과 비선형 장치의 높은 입력 요구 조건을 극복하기 위해.
• 분산된 액추에이터와 센서를 사용한 활성적이고 프로그래밍 가능한 경계 조건을 통해 실용적인 실현 가능성을 확보하기 위해.
• 수치 시뮬레이션을 통해 이론 모델을 검증하고, 이산화 및 변환기 동역학으로 인한 성능 제한을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비표준 경계 조건을 대체하기 위해 비균일 파동 방정식에서 분포된 소스 항으로 경계 제어를 재해석하기 위해.
• 경계의 법선 속도가 압력과 그 탄젠셜 도함수에 모두 의존하는 1차원 프레임워크에서 시스템을 모델링하기 위해.
• 산란 행렬을 계산하고 비재귀적 행동을 검증하기 위해 유한요소 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 내벽에 장착된 활성 액추에이터와 센서를 통해 일반화된 임피던스 경계 조건을 모방하는 제어 전략을 구현하기 위해.
• 유한한 크기의 변환기와 이산적 소스 배치가 성능과 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 소스가 순수한 에너지를 주입하지 않음을 확인함으로써 물리적 일관성을 확인하기 위해 에너지 균형을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진이나 비선형성을 활용하지 않고, 프로그래밍 가능한 경계 조건을 사용하여 1차원 파동구에서 비재귀적 음향 전파를 달성할 수 있는가?
• RQ2 분포된 소스 모델이 파동 방정식 수식에서 경계 제어 전략을 얼마나 정확하게 표현하는가?
• RQ3 제안된 차단기의 대역폭과 고립 성능은 청취 가능한 스펙트럼 전반에서 어떻게 되는가?
• RQ4 이산화와 유한한 변환기 크기는 장치의 실용적 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 넓은 주파수 범위에서 정방향 전파에 대해 높은 전달 성능를 유지하면서도 반대 방향 전파를 차단할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 차단기는 정방향 전파에서 거의 완벽한 전달을 유지하면서도 반대 방향에서 80 dB 이상의 고립도를 달성한다.
• 장치는 10 Hz에서 10 kHz까지 3개 이상의 주파수 디아데카드에 걸쳐 평탄한 주파수 응답을 나타낸다.
• 장치는 크기가 파장 이하이며, 10 Hz에서 물리적 길이가 λ/173 뿐이므로 소형화 설계가 가능하다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 산란 행렬 분석을 통해 비재귀적 행동이 확인되었으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• 유한한 크기의 변환기와 이산적 소스 배치로 인해 성능 제한이 발생하며, 특히 고주파수에서 공간적 확장으로 인한 영향이 주요 원인이다.
• 공진 주파수가 약 1 kHz인 변환기는 10 Hz–10 kHz의 전체 작동 대역폭을 지원하며, 왜곡을 최소화할 수 있다.