CN104464715A - 一种声子晶体分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声子晶体分束器，该声子晶体分束器采用二维声子晶体结构实现声波分束，所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列而成，所述的二维晶格单元由相互平行的钢柱体和线缺陷钢柱体在水中按照二维晶格排列，所述线缺陷钢柱体的半径 R d在0.35 a ～0.47 a 范围内变化，钢柱体的半径为 R =0.35 a ；所述二维晶格的晶格常数 a 为1m；通过半径的变化，从而得到声波的分束以及分束效率的动态可调节；本声子晶体分束器对制备技术要求相对较低，制作工艺简单，可设计性强。

Description

一种声子晶体分束器
技术领域
 本发明涉及一种声子晶体分束器。
背景技术
声子晶体是一种新发展起来的人工周期结构，受到科研工作者的极大关注。声子晶体一个重要特性是声子禁带，落在禁带频率范围内的声波将无法通过声子晶体传播，这一特性可用于消声器件。而近年来，声子通带内的特性也引起了大家的兴趣，这些特性包括负折射、声聚焦、声准直传播。
所谓自准直效应，即在某些频率范围内等频线非常平坦常平坦，这种现象源于非均匀介质的特殊色散性质，因为能量的传播方向垂直于等频线，所以在晶体内，具有准直频率处的光波沿着等频线的法线方向。这样实现了在不引入缺陷的条件下，波可在完整周期的光子晶体中几乎无衍射传播。自准直频率的确定根据第一布里渊区的声子晶体二维等频色散线。
在光子晶体自准直方面的研究结果表明，可利用此效应实现光子晶体分束器、滤波器、光开关和干涉仪，具有很大的实际应用价值。
同样，在声子晶体中，已有研究表明可以通过设计适当的晶体结构，比如利用全反射原理拉开晶体间距，实现声波分束。这一特性使得声子晶体具有另一应用前景，比如我们可以根据这一思想设计出基于声子晶体的分束器、干涉仪、滤波器等。所以，自准直声波的研究对声子晶体的研究具有重要意义。因此，我们提出了一种基于自准直效应的声子晶体分束器。
   目前，声子晶体分束器是通过改变晶体间距来实现。对制备要求较高，且不利于集成，所以投入应用不太乐观。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的声子晶体分束器，具体是一种基于自准直效应且通过改变线缺陷处柱体的半径实现动态可调节的分束器。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供的一种声子晶体分束器，该声子晶体分束器采用二维声子晶体结构实现声波分束，所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列而成，所述的二维晶格单元由相互平行的钢柱体1和线缺陷钢柱体2在水中按照二维晶格排列，所述线缺陷钢柱体2的半径R d在0.35a～0.47a范围内变化，钢柱体1的半径为R=0.35a；所述二维晶格的晶格常数a为1m。
所述二维晶格单元排列结构为长方形、正方形或六角形。
所述二维晶格单元排列结构优选为正方形 ，在正方形二维晶格单元排列结构中改变沿对角线方向三排钢柱体的半径形成线缺陷钢柱体2。
所述二维声子晶体结构由钢柱体和水两种不同材料组成，所述的钢柱体及线缺陷钢柱体的密度为                                               ，纵波波速，横波波速；水的密度为，纵波波速。
所述钢柱体1和线缺陷钢柱体2的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三边形或六边形。
所述钢柱体1和线缺陷钢柱体2的横截面形状优选均为圆形。
声子晶体通带的产生和大小主要受以下因素影响：一、组成介质的质量密度、弹性常数、声波速度等物理参数；二、分散介质的几何形状、体积分数和排列方位；三、晶体的排列结构。通过调节和改变这些因素即可获得满足特定频率要求的声子晶体。
基于上述三方面因素的考虑及现实可行性要求，优选圆形钢柱体排列于水中构成的声子晶体。
   本发明的有益效果：
本发明所提供的一种基于自准直效应的声子晶体分束器，其分波结构新颖，本声子晶体分束器通过调节线缺陷钢柱体的半径，从而可实现声波分束效率的动态调节，制作工艺简单，可设计性强。
 
附图说明
    图1 表示本发明的由钢柱体正方排列于水中的二维声子晶体横截面示意图，缺陷钢柱体半径为0.4m，沿对角线方向三排钢柱体的半径形成线缺陷钢柱体。其中：1-钢柱体，2-线缺陷钢柱体。
    图2为发明实施例中未存在线缺陷时，声子晶体带结构中最低一条能带映射在第一布里渊区内的等高线图。
    图3为本发明的线缺陷钢柱半径为0.4时，声波传播的声场分布图。
    图4为本发明的线缺陷钢柱半径为0.47时，声波传播的声场分布图。
    图5为本发明的结构的分束效率图。
 
具体实施方式
对于由柱体分散于水中所形成的二维声子晶体，柱体横截面形状可以为圆形、椭圆形、长方形、正方形、三边形、六边形等，排列结构可以是长方形、正方形或六角形等二维晶格。对于我们提出的声子晶体分束器，本实施例采用的柱体横截面形状为圆形且按正方晶格排列。声子晶体的材料种类也有很多种，考虑到声波在声子晶体中的散射效果，我们采用了较坚硬的钢柱体。本发明即采用较为合理的结构和材料，即在水背景中将钢柱体按正方晶格平行排列。结构中改变沿对角线方向三排钢柱体的半径形成线缺陷结构，半径变化范围为0.35m～0.47m。晶格常数a为1m。
实施实例：本实施例选择的是钢（其弹性常数为：密度，纵波波速，横波波速）在水（其弹性常数为：密度，纵波波速）中按如上所述的结构构成的二维声子晶体，所述的二维晶格单元的钢柱体至少五层。图1所示即为所提出结构的横截面示意图，改变沿对角线方向三排钢柱的尺寸构成缺陷结构，钢柱体1半径R=0.35m，线缺陷钢柱2半径R d满足0.35m≤R d≤0.47m。为计算在完整周期声子晶体中声波准直传播的频率，如图2我们给出了未引入缺陷时，声子晶体带结构中最低一条能带映射到第一布里渊区内的等高线图，660Hz的那条等频线均匀平坦，为声波准直传播的频率。图3和图4为线缺陷钢柱半径分别取0.40和0.47时，所分别对应的声场分布图，声波从结构下方入射进入声子晶体。缺陷半径变化时声波的分束效率如图5所示，其中，声波从结构下方入射，反射效率定义为与入射方向呈90°的出射波束能量与入射声波总能量之比，传输效率定义为与入射方向一致的出射波束能量与入射声波总能量之比。此实施方案可设计性强。

Claims (6)

1.一种声子晶体分束器，其特征在于：该声子晶体分束器采用二维声子晶体结构实现声波分束，所述的二维声子晶体结构由若干个二维晶格单元周期排列而成，所述的二维晶格单元由相互平行的钢柱体（1）和线缺陷钢柱体（2）在水中按照二维晶格排列，所述线缺陷钢柱体（2）的半径R d在0.35a～0.47a范围内变化，钢柱体（1）的半径为R=0.35a；所述二维晶格的晶格常数a为1m。
2.如权利要求1所述的声子晶体分束器，其特征在于：所述二维晶格单元排列结构为长方形、正方形或六角形。
3.如权利要求2所述的声子晶体分束器，其特征在于：所述二维晶格单元排列结构为正方形 ，在正方形二维晶格单元排列结构中改变沿对角线方向三排钢柱体的半径形成线缺陷钢柱体（2）。
4.如权利要求1所述的声子晶体分束器，其特征在于：所述的钢柱体及线缺陷钢柱体的密度为 ，纵波波速，横波波速；水的密度为，纵波波速。
5.如权利要求1所述的声子晶体分束器，其特征在于：所述钢柱体（1）和线缺陷钢柱体（2）的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三边形或六边形。
6.如权利要求5所述的声子晶体分束器，其特征在于：所述钢柱体（1）和线缺陷钢柱体（2）的横截面形状均为圆形。
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