本發(fā)明涉及聲學(xué)傳輸器件領(lǐng)域，更具體的，涉及一種實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)拓?fù)涞穆ú▽?dǎo)模型的建模方法及其測試方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著凝聚態(tài)物理以及拓?fù)湮锢韺W(xué)的蓬勃發(fā)展，由各種拓?fù)湎喈a(chǎn)生的與之對(duì)應(yīng)的多種拓?fù)湫?yīng)受到人們越來越多的關(guān)注，如拓?fù)浣^緣體(ti)中的，量子霍爾效應(yīng)(qhe)、量子自旋霍爾效應(yīng)(qshe)、量子谷霍爾效應(yīng)(qvh)，拓?fù)浒虢饘?tsm)中的wely半金屬(wsm)、dirac半金屬(dsm)，以及一些關(guān)于非厄米體系的研究等等。其中，根據(jù)傳統(tǒng)的d維拓?fù)浣^緣體的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系，其具有(d-1)維的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。通常，d維(dd)常規(guī)一階拓?fù)浣^緣體具有(d-1)維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。其中二維(2d)一階拓?fù)浣^緣體有兩種類型的一維邊界態(tài)，一種是手性邊界態(tài)，因?yàn)槠淦茐牧藭r(shí)間反演對(duì)稱性，所以常稱為chern絕緣體，它的拓?fù)洳蛔兞靠梢杂胏hern數(shù)表征。另一種具有螺旋邊界態(tài)，可以用z2指數(shù)或自旋chern數(shù)來表征如量子自旋霍爾絕緣體(qshi)，自旋chern拓?fù)浣^緣體(sci)。量子自旋霍爾絕緣體具有由自旋1/2電子時(shí)間反轉(zhuǎn)算子保護(hù)的無間隙邊緣態(tài)。sci擴(kuò)展了qshi的概念，也具有螺旋邊緣態(tài)，但其無間隙特性依賴于樣品的對(duì)稱性和邊界勢。

2、聲子晶體是一種人工制造的具有空間周期性的結(jié)構(gòu)材料，指存在彈性波帶隙、彈性常數(shù)及密度等參數(shù)周期分布的材料或結(jié)構(gòu)，主要研究的是周期性聲學(xué)材料中聲波的傳播規(guī)律。其重要特征是處于聲子帶隙范圍內(nèi)的聲波或振動(dòng)禁止在聲子晶體內(nèi)傳播。聲波本質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)需要依賴于介質(zhì)傳播，引入電場或磁場的相互作用的協(xié)調(diào)操控難度大，導(dǎo)致了有效操控聲波的手段有限。但是，聲子晶體的出現(xiàn)，其對(duì)聲傳輸獨(dú)特的性質(zhì)，為操控聲波、設(shè)計(jì)全新聲學(xué)器件提供了很多可能性。隨著人們對(duì)聲子晶體研究的深入，能帶中各種頻帶的聲波特性也被逐漸發(fā)掘，包括很多奇特的現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)吸隔聲、聲準(zhǔn)直、聲聚焦現(xiàn)象、聲波雙負(fù)折射現(xiàn)象、聲學(xué)慢波現(xiàn)象等等。

3、慢波(slow?wave)是指在物理學(xué)和工程學(xué)中的一種波動(dòng)現(xiàn)象。它通常具有較低的頻率和較長的周期，并且以較低的傳播速度傳播。慢波常出現(xiàn)在介質(zhì)中或結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)中，由于波傳播路徑的特殊性質(zhì)而產(chǎn)生。慢波在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如：電子領(lǐng)域中的電子加速器、高頻電子器件；通信領(lǐng)域中的微波和毫米波設(shè)備；光學(xué)領(lǐng)域中慢波光學(xué)波導(dǎo)，可以用于光信號(hào)的傳輸和調(diào)制等。

4、現(xiàn)有技術(shù)有一種加載光子晶體的慢波結(jié)構(gòu)，屬于慢波結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，通過將光子晶體與慢波結(jié)構(gòu)相結(jié)合，減小由于模式競爭帶來的行波管穩(wěn)定性的影響，提高了行波管工作可靠性的同時(shí)，利用光子晶體做替代全金屬作為寬邊的邊界，改變了慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場分布情況，從而使其相較于傳統(tǒng)正弦波導(dǎo)的表現(xiàn)，具有更寬的帶寬和更高的耦合阻抗。

5、基于上述現(xiàn)有技術(shù)可以得知，當(dāng)前拓?fù)渎ㄐ?yīng)的研究主要集中于電路、光子晶體的探究，在聲子晶體中能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)拓?fù)渎ㄐ?yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、難以制備，少數(shù)研究集中于空氣聲學(xué)中。由于水下聲速遠(yuǎn)大于空氣聲速，在水下聲子晶體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)拓?fù)渎ㄐ?yīng)，對(duì)于聲傳輸領(lǐng)域具有更重要意義。因此，亟需一種可以實(shí)現(xiàn)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的水下慢聲傳輸?shù)耐負(fù)渎曌泳w結(jié)構(gòu)，以為聲波的在水中的傳輸方式及效率帶來更多可能性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)缺乏針對(duì)聲學(xué)拓?fù)渎ǖ难芯康膯栴}，提供了一種實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)拓?fù)涞穆ú▽?dǎo)模型的建模方法及其測試方法，其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制備，魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下：

3、一種實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)拓?fù)涞穆ú▽?dǎo)模型的建模方法，包括以下具體步驟：

4、根據(jù)空間點(diǎn)群對(duì)稱性，構(gòu)建雙層緊束縛模型；每層緊束縛模型包括3個(gè)原胞，每個(gè)原胞分別通過胞內(nèi)耦合、胞間耦合、層間耦合與同層的其它原胞、同個(gè)模型不同層的原胞、相鄰的不同模型的原胞連接；

5、構(gòu)建固體部分模型；將緊束縛模型的原胞作為固體部分模型挖空的腔體，將胞內(nèi)耦合、胞間耦合、層間耦合作為連接不同腔體的3種不同的腔管，將固體部分模型浸入水中，將腔體和腔管內(nèi)的水域空間作為水域部分模型，構(gòu)建慢波波導(dǎo)模型。

6、優(yōu)選的，所述的固體部分模型具體為六邊形柱體，所述的腔體具體為圓柱形腔體，所述的腔管具體為圓柱形腔管。

7、進(jìn)一步的，所述的固體部分為鋼，其主要材料參數(shù)：楊氏模量為210gpa、密度為7800kg/m3、泊松比為0.3、聲速為5100m/s；水域部分的密度為1000kg/m3，聲速為1490m/s。

8、更進(jìn)一步的，雙層的聲子晶體模型的晶格常數(shù)a＝45mm，圓柱形腔體的直徑a1＝15m?m，高度為h1＝12mm，原胞總高度h＝3*h1，層內(nèi)的胞內(nèi)耦合管直徑為di，胞外耦合管直徑為do，連接上下兩層空腔的手性層間耦合管直徑為dλ。

9、更進(jìn)一步的，所述的雙層緊束縛模型中每個(gè)原胞對(duì)應(yīng)的布洛赫哈密頓量為：

10、

11、其中，a＝ti+toe-ikx，c＝ti+toeikx，

12、胞內(nèi)耦合與胞外耦合強(qiáng)度差值δ＝to-ti，其中，ti和to表示胞內(nèi)、胞外可能的躍遷參數(shù)，λ表示層間可能的躍遷參數(shù)，x和y分別表示平面坐標(biāo)，k為波矢量。

13、一種慢波波導(dǎo)模型的測試方法，包括以下具體步驟：

14、通過所述的慢波波導(dǎo)模型的建模方法構(gòu)建慢波波導(dǎo)模型；

15、通過仿真慢波波導(dǎo)模型，驗(yàn)證緊束縛模型與慢波波導(dǎo)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系及sci相；

16、對(duì)sci相進(jìn)行分析，驗(yàn)證水下無間隙聲傳輸。

17、優(yōu)選的，通過仿真慢波波導(dǎo)模型，驗(yàn)證緊束縛模型與慢波波導(dǎo)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系及sci相，具體步驟為：

18、通過哈密頓量計(jì)算得到自旋陳數(shù)以及自旋極化計(jì)算結(jié)果；

19、基于自旋陳數(shù)以及自旋極化計(jì)算結(jié)果判斷相變點(diǎn)兩邊的拓?fù)湎?，并進(jìn)一步得到sci相。

20、進(jìn)一步的，通過哈密頓量計(jì)算得到自旋陳數(shù)，具體為：

21、

22、其中，c±為自旋陳數(shù)，為自旋極化的berry曲率，bz表示布里淵區(qū)；

23、計(jì)算得到自旋極化，具體為：

24、

25、其中，p±為自旋極化，s為第一布里淵區(qū)的面積。

26、更進(jìn)一步的，對(duì)sci相進(jìn)行分析，驗(yàn)證水下無間隙聲傳輸，具體步驟為：

27、當(dāng)|δ|＝to-ti＝0，所對(duì)應(yīng)的sci相進(jìn)行研究，得到其數(shù)值計(jì)算與仿真計(jì)算的色散關(guān)系；

28、考慮條狀超胞的有限結(jié)構(gòu)和周期性邊界，得到sci相的邊界態(tài)聲壓場分布；

29、將基于色散關(guān)系和sci相的邊界態(tài)聲壓場分布，得到sci相超胞對(duì)應(yīng)的投影色散；

30、觀察投影色散的無間隙的螺旋邊界態(tài)，基于螺旋邊界態(tài)驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)了同時(shí)受到時(shí)間反演和空間對(duì)稱的強(qiáng)拓?fù)浔Ｗo(hù)的水下無間隙聲傳輸。

31、更進(jìn)一步的，還進(jìn)一步通過對(duì)慢波波導(dǎo)模型的上下邊界增加諧振腔，測試慢波波導(dǎo)模型的調(diào)控效果，具體為：

32、對(duì)慢波波導(dǎo)模型的上下邊界增加諧振腔，使得邊界態(tài)魯棒性的纏繞，從而使邊界態(tài)色散變平，使態(tài)密度提高，使聲傳輸速度變慢；由此，實(shí)現(xiàn)聲傳輸速度的調(diào)控，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水下受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無間隙慢波傳輸?shù)恼{(diào)控。

33、本發(fā)明的有益效果如下：

34、本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)拓?fù)涞穆ú▽?dǎo)模型的建模方法，其基于空間點(diǎn)群對(duì)稱性的雙層緊束縛模型設(shè)計(jì)，包括固體部分及水域部分；模型結(jié)構(gòu)簡單、易于制備，在聲學(xué)器件領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的水下慢波傳輸，具有很強(qiáng)的魯棒性，該結(jié)構(gòu)還具有寬工作頻率窗口以及無間隙波導(dǎo)的特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)聲波緩慢且無損耗傳輸，為工業(yè)延遲器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供新的可能。