用于水与空气之间声学传输的宽带固体阻抗变换器

我们最近的论文表明，空气与水之间的全声学传输可以通过一个由两块平行薄弹性板通过刚性肋连接而成的固体界面来实现，尽管其透射率是一种窄带效应。我们在此证明，通过引入第三块中央板可以获得宽带传输。结合数值优化的理论分析表明，最优的三板阻抗变换器具有一块远厚于其他板的中央板。这意味着可以将最优的三板阻抗变换器更简单地解释为由类质量阻抗分隔的两块弹性板。随后，利用先前研究的双板系统的结果以及利用小空气-水阻抗比的渐近近似，可以理解该宽带变换器的特性。具有相似材料的水侧和空气侧板的最优系统相对厚度分别约为三比一，而中心质量的面密度约为水侧板的 17 倍。进一步的恒等式将全传输频率与板厚度和肋间距联系起来。将该阻抗变换器与理想的二层四分之一波长模型进行比较，使我们能够识别出约 5.5 的最小可达到 Q 因子，这在所给出的示例中得到了实现。近似优化参数的公式也可作为数值优化的初始种群，极大地加速了该过程。理论与数值结果共同指向了一类非常简单的纯固体阻抗变换器，其系统参数由渐近小参数（即空气与水声阻抗之比）很好地定义。