一種調節聲子晶體分束效率的方法技術

本發明專利技術公開了一種調節聲子晶體分束效率的方法，該方法基于自準直效應，采用二維聲子晶體結構實現聲波分束效率的調節；所述的二維聲子晶體結構由若干個二維晶格單元周期排列而成，所述的二維晶格單元由相互平行的圓鋼柱和線缺陷方鋼柱在水中按二維晶格排列，所述二維晶格的晶格常數a為1m；通過線缺陷方鋼柱的沿逆時針方向旋轉，旋轉角度的范圍為0°～45°，從而得到聲波的分束以及分束效率的動態可調節；此方法對制備技術要求相對較低，制作工藝簡單，可設計性強。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了，該方法基于自準直效應，采用二維聲子晶體結構實現聲波分束效率的調節；所述的二維聲子晶體結構由若干個二維晶格單元周期排列而成，所述的二維晶格單元由相互平行的圓鋼柱和線缺陷方鋼柱在水中按二維晶格排列，所述二維晶格的晶格常數 a 為1m；通過線缺陷方鋼柱的沿逆時針方向旋轉，旋轉角度的范圍為0°～45°，從而得到聲波的分束以及分束效率的動態可調節；此方法對制備技術要求相對較低，制作工藝簡單，可設計性強。【專利說明】
本專利技術涉及。
技術介紹
聲子晶體是一種新發展起來的人工周期結構，受到科研工作者的極大關注。聲子 晶體一個重要特性是聲子禁帶，落在禁帶頻率范圍內的聲波將無法通過聲子晶體傳播，這 一特性可用于消聲器件。而近年來，聲子通帶內的特性也引起了大家的興趣，這些特性包括 負折射、聲聚焦、聲準直傳播。 所謂自準直效應，即在某些頻率范圍內等頻線非常平坦常平坦，這種現象源于非 均勻介質的特殊色散性質，因為能量的傳播方向垂直于等頻線，所以在晶體內，具有準直頻 率處的光波沿著等頻線的法線方向。這樣實現了在不引入缺陷的條件下，波可在完整周期 的光子晶體中幾乎無衍射傳播。自準直頻率的確定根據第一布里淵區的聲子晶體二維等頻 色散線。 在光子晶體自準直方面的研究結果表明，可利用此效應實現光子晶體波分器、濾 波器、光開關和干涉儀，具有很大的實際應用價值。 同樣，在聲子晶體中，我們可以通過設計適當的晶體結構實現聲波分束。這一特性 使得聲子晶體具有另一應用前景，比如我們可以根據這一思想設計出基于聲子晶體的分束 器、干涉儀、濾波器等。所以，自準直聲波的研究對聲子晶體的研究具有重要意義。因此，我 們提出了一種調節聲子晶體分束效率的新方法。 目前，調節聲子晶體分束效率的方法有通過改變晶體間距來實現。此方法對制備 要求較高，且不利于集成，所以投入應用不太樂觀。
技術實現思路
本專利技術為了克服目前現存的聲子晶體分束效率的不足，提供了一種無需改變整體 尺寸只需通過部分柱體旋轉及不同形狀的分波控制方式。 為實現上述目的，本專利技術的技術方案為： 本專利技術提供的，該方法基于自準直效應，采用二維 聲子晶體結構實現聲波分束效率的調節；所述的二維聲子晶體結構由若干個二維晶格單元 周期排列而成，所述的二維晶格單元由相互平行的圓鋼柱1和線缺陷方鋼柱2在水中按二 維晶格排列，所述二維晶格的晶格常數a為lm。 所述二維晶格單元排列結構為長方形、正方形或六角形。 所述二維晶格單元排列結構為正方形，在正方形二維晶格單元排列結構中沿正 方形對角線方向為三排線缺陷方鋼柱2。 所述線缺陷方鋼柱2沿逆時針方向旋轉，旋轉角度的范圍為0°?45°。 所述二維聲子晶體結構是由鋼柱體和水兩種密度不同的單元疊加而成的：其中， 鋼柱體的密度為/?= 7JI7xWs母/漏3,縱波波速q= 6_01xl0sie/s,橫波波速€·, = 3」23x1H5^/j, 水的密度為/>=丨JoxIOsjKTj?/*!5,縱波波速q=l_49>tlOsiB/j。 所述圓鋼柱1的橫截面形狀為圓形，其半徑= 0. 35m;線缺陷方鋼柱2的橫截面 形狀為方形；其邊長為〇. 682m。 聲子晶體通帶的產生和大小主要受以下因素影響：一、組成介質的質量密度、彈性 常數、聲波速度等物理參數；二、分散介質的幾何形狀、體積分數和排列方位；三、晶體的排 列結構。通過調節和改變這些因素即可獲得滿足特定頻率要求的聲子晶體。 基于上述三方面因素的考慮及現實可行性要求，選擇圓形鋼柱體及線缺陷方鋼柱 排列于水中構成的聲子晶體。 本專利技術的有益效果： 本專利技術所提供的，其聲波分束結構新穎，本方法通 過調節線缺陷處方形鋼柱體的旋轉角度，從而可實現聲波分束效率的動態調節，制作工藝 簡單，可設計性強。 【專利附圖】【附圖說明】 圖1表示本專利技術的由鋼柱體正方排列于水中的二維聲子晶體橫截面示意圖。其中 1-圓鋼柱，2-線缺陷方鋼柱；沿正方形對角線方向為三排線缺陷方鋼柱。 圖2為專利技術實施例中未存在線缺陷時，聲子晶體帶結構中最低一條能帶映射在第 一布里淵區內的等高線圖。 圖3為本專利技術的線缺陷方鋼柱2旋轉角度為0°時的聲場分布圖。 圖4為本專利技術的線缺陷方鋼柱2沿逆時針方向旋轉角度為20°時的聲場分布圖。 圖5為本專利技術的線缺陷方鋼柱2沿逆時針方向旋轉角度為45°時的聲場分布圖。 圖6為本專利技術的線缺陷方鋼柱旋轉時，結構的分束效率圖。 【具體實施方式】 對于由柱體分散于水中所形成的二維聲子晶體，柱體橫截面形狀可以為圓形、橢 圓形、長方形、正方形、三邊形、六邊形等，排列結構可以是長方形、正方形或六角形等二維 晶格。對于我們提出的，本實施例采用正方晶格排列，缺 陷鋼柱體的橫截面為方形，其余鋼柱截面形狀為圓形。聲子晶體的材料種類也有很多種，考 慮到聲波在聲子晶體中的散射效果，我們采用了較堅硬的鋼柱體。本專利技術即采用較為合理 的結構和材料，即在水背景中將鋼柱體按正方晶格平行排列。結構中沿對角線方向三排采 用的是方形鋼柱。 實施實例：本實施例選擇的是鋼(其彈性常數為：密度p=7JS7xlO%/?s,縱波波 速q=ΛΛ1χω5·Λ?,橫波波速Ci= 3」23χ105·/5)在水(其彈性常數為：密度/?=丨-ΟχΙΙΙ3#·5, 縱波波速Ci=IjISxIO5m/s)中按如上所述的結構構成的二維聲子晶體。所述的二維晶格單 元的鋼柱體至少五層。圖1所示即為所提出結構的橫截面示意圖，改變對角線方向三排鋼 柱的形狀構成線缺陷結構。圓鋼柱1的半徑你〇. 35m，線缺陷方鋼柱2的邊長為0. 68m。為 計算在完整周期聲子晶體中聲波準直傳播的頻率，如圖2我們給出了未引入缺陷時，聲子 晶體帶結構中最低一條能帶映射到第一布里淵區內的等高線圖，660Hz的那條等頻線均勻 平坦，為聲波準直傳播的頻率。圖3為線缺陷方柱體的旋轉角度分別為0°時，所分別對應 的聲場分布圖，聲波從結構下方入射進聲子晶體。圖4為線缺陷方柱體2沿逆時針方向旋 轉角度分別為20°時，所分別對應的聲場分布圖。圖5為線缺陷方柱體2沿逆時針方向旋 轉角度分別為45°時，所分別對應的聲場分布圖。線缺陷方鋼柱2旋轉時聲波的分束效率 如圖6所示，其中，聲波從結構下方入射，反射效率定義為與入射方向呈90°的出射波束能 量與入射聲波總能量之比，傳輸效率定義為與入射方向一致的出射波束能量與入射聲波總 能量之比。此實施方案可設計性強。【權利要求】1. ，其特征在于：該方法基于自準直效應，采用二 維聲子晶體結構實現聲波分束效率的調節；所述的二維聲子晶體結構由若干個二維晶格單 元周期排列而成，所述的二維晶格單元由相互平行的圓鋼柱（1)和線缺陷方鋼柱（2)在水 中按二維晶格排列，所述二維晶格的晶格常數a為lm。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：所述二維晶格單元排列結構為長方形、正方 形或六角形。3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于：所述二維晶格單元排列結構為正方形，在 正方形二維晶格單元排列結構中沿正方形對角線方向為三排線缺陷方鋼柱（2)。4. 如權利要求3所述的方法，其特本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種調節聲子晶體分束效率的方法，其特征在于：該方法基于自準直效應，采用二維聲子晶體結構實現聲波分束效率的調節；所述的二維聲子晶體結構由若干個二維晶格單元周期排列而成，所述的二維晶格單元由相互平行的圓鋼柱（1）和線缺陷方鋼柱（2）在水中按二維晶格排列，所述二維晶格的晶格常數a為1m。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳福根，李靜，張欣，姚源衛，
申請(專利權)人：廣東工業大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44