一種聲子晶體分束器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲子晶體分束器，該聲子晶體分束器采用二維聲子晶體結構實現(xiàn)聲波分束，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鋼柱體和線缺陷鋼柱體在水中按照二維晶格排列，所述線缺陷鋼柱體的半徑 R d在0.35 a ～0.47 a 范圍內變化，鋼柱體的半徑為 R =0.35 a ；所述二維晶格的晶格常數(shù) a 為1m；通過半徑的變化，從而得到聲波的分束以及分束效率的動態(tài)可調節(jié)；本聲子晶體分束器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】一種聲子晶體分束器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲子晶體分束器。

【背景技術】
[0002] 聲子晶體是一種新發(fā)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。
[0003] 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(xiàn)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(xiàn)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(jù)第一布里淵區(qū)的聲子晶體二維等頻 色散線。
[0004] 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(xiàn)光子晶體分束器、濾 波器、光開關和干涉儀，具有很大的實際應用價值。
[0005] 同樣，在聲子晶體中，已有研究表明可以通過設計適當?shù)木w結構，比如利用全反 射原理拉開晶體間距，實現(xiàn)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(jù)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，我們提出了一種基于自準直效應的聲子晶體 分束器。
[0006] 目前，聲子晶體分束器是通過改變晶體間距來實現(xiàn)。對制備要求較高，且不利于集 成，所以投入應用不太樂觀。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型的聲子晶體分束器，具體是一種基于自準直效應 且通過改變線缺陷處柱體的半徑實現(xiàn)動態(tài)可調節(jié)的分束器。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為： 本發(fā)明提供的一種聲子晶體分束器，該聲子晶體分束器采用二維聲子晶體結構實現(xiàn)聲 波分束，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 單元由相互平行的鋼柱體1和線缺陷鋼柱體2在水中按照二維晶格排列，所述線缺陷鋼柱 體2的半徑TP d在0. 35a?0. 47a范圍內變化，鋼柱體1的半徑為/?=0. 35a ;所述二維晶格的 晶格常數(shù)a為lm。
[0009] 所述二維晶格單元排列結構為長方形、正方形或六角形。
[0010] 所述二維晶格單元排列結構優(yōu)選為正方形，在正方形二維晶格單元排列結構中 改變沿對角線方向三排鋼柱體的半徑形成線缺陷鋼柱體2。
[0011] 所述二維聲子晶體結構由鋼柱體和水兩種不同材料組成，所述的鋼柱體及線缺陷 鋼柱體的密度為/>= 7JS7xlflSi^/ieS,縱波波速Ci = 橫波波速q = 3JSxlfl5*/ir; 水的密度為/ff=lJ〇xWsil^/iis,縱波波速C, = lJ9xlfl5_/s。
[0012] 所述鋼柱體1和線缺陷鋼柱體2的橫截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形、三 邊形或六邊形。
[0013] 所述鋼柱體1和線缺陷鋼柱體2的橫截面形狀優(yōu)選均為圓形。
[0014] 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(shù)、聲波速度等物理參數(shù)；二、分散介質的幾何形狀、體積分數(shù)和排列方位；三、晶體的排 列結構。通過調節(jié)和改變這些因素即可獲得滿足特定頻率要求的聲子晶體。
[0015] 基于上述三方面因素的考慮及現(xiàn)實可行性要求，優(yōu)選圓形鋼柱體排列于水中構成 的聲子晶體。
[0016] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明所提供的一種基于自準直效應的聲子晶體分束器，其分波結構新穎，本聲子晶 體分束器通過調節(jié)線缺陷鋼柱體的半徑，從而可實現(xiàn)聲波分束效率的動態(tài)調節(jié)，制作工藝 簡單，可設計性強。
[0017]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1表示本發(fā)明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，缺陷 鋼柱體半徑為〇.4m，沿對角線方向三排鋼柱體的半徑形成線缺陷鋼柱體。其中：1_鋼柱體， 2_線缺陷鋼柱體。
[0019] 圖2為發(fā)明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(qū)內的等高線圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明的線缺陷鋼柱半徑為0. 4時，聲波傳播的聲場分布圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明的線缺陷鋼柱半徑為0. 47時，聲波傳播的聲場分布圖。
[0022] 圖5為本發(fā)明的結構的分束效率圖。
[0023]

【具體實施方式】
[0024] 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。對于我們提出的聲子晶體分束器，本實施例采用的柱體橫截面形狀為圓形且按正方 晶格排列。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。本發(fā)明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。結構中改變沿對角線方向三排鋼柱體的半徑形成線缺陷結構，半徑變化 范圍為0.35m?0.47m。晶格常數(shù)a為lm。
[0025] 實施實例：本實施例選擇的是鋼(其彈性常數(shù)為：密度/?=7_?7χ1(Ι%/ι?Λ縱波波 速q = ?ιΜχΙβ5*/·!，橫波波速Cj = 3」Sx105h/s)在水(其彈性常數(shù)為：密度 ，縱波波速q = LWxWs 麗/?)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，改變沿對角線 方向三排鋼柱的尺寸構成缺陷結構，鋼柱體1半徑/?=〇. 35m，線缺陷鋼柱2半徑TPd滿足 0. 35m < TPd < 0. 47m。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(qū)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和圖4為線缺陷鋼柱半徑分別 取0. 40和0. 47時，所分別對應的聲場分布圖，聲波從結構下方入射進入聲子晶體。缺陷半 徑變化時聲波的分束效率如圖5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. 一種聲子晶體分束器，其特征在于：該聲子晶體分束器采用二維聲子晶體結構實現(xiàn) 聲波分束，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鋼柱體（1)和線缺陷鋼柱體（2)在水中按照二維晶格排列，所述線缺 陷鋼柱體（2)的半徑&在0.35a?0.47a范圍內變化，鋼柱體（1)的半徑為/?=0. 35a;所述 二維晶格的晶格常數(shù)a為lm。
2. 如權利要求1所述的聲子晶體分束器，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所述的聲子晶體分束器，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改變沿對角線方向三排鋼柱體的半徑形成線 缺陷鋼柱體（2)。
4. 如權利要求1所述的聲子晶體分束器，其特征在于：所述的鋼柱體及線缺陷鋼柱體 的密度為Ji?= 7jfi7xl〇3i^/!eS,縱波波速Q=ftMxltfia/s,橫波波速C, = 3」25x1Hsib/s;水的密 度為/I-1jI1x10sJ^/jbs,縱波波速Cf =I-Wxlll5jb/j。
5. 如權利要求1所述的聲子晶體分束器，其特征在于：所述鋼柱體（1)和線缺陷鋼柱體 (2)的橫截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形、三邊形或六邊形。
6. 如權利要求5所述的聲子晶體分束器，其特征在于：所述鋼柱體（1)和線缺陷鋼柱體 (2)的橫截面形狀均為圓形。
【文檔編號】G10K11/34GK104464715SQ201410678284
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權日:2014年11月24日
【發(fā)明者】吳福根, 李靜, 張欣, 姚源衛(wèi) 申請人:廣東工業(yè)大學