CN104934027B

CN104934027B - 一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件

Info

Publication number: CN104934027B
Application number: CN201510188907.XA
Authority: CN
Inventors: 孙宏祥; 袁寿其; 夏建平
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2035-04-20
Also published as: CN104934027A

Abstract

本发明提供了一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，所述金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括平行设置的两块金属平板和两块一维周期性栅格板，两块所述金属平板位于中心处，两块所述一维周期性栅格板分别位于两侧，所述一维周期性栅格板设有至少5个栅格。本发明实现了多频带声波的非对称透射；所述多频带声波非对称透射器件尺寸在毫米量级，结构简单易加工制备，有利于推广应用；所述非对称透射频带较宽，共有4个非对称透射频带，且部分非对称透射频带的正向透射率(从左侧入射的声波)可达80％；所述非对称透射频带范围广。

Description

一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是涉及一种多频带声波非对称透射器件。

背景技术

声波是现实生活中常见的能量载体，声波在通常介质中传输是双向的，即声波分别从介质的两侧入射时，其透射性能没有区别。如果声波非对称透射可以实现，可运用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如：在B超超声成像的过程中，首先向体内发射超声波，反射的声波会被接收装置接收，通过分析反射声波信号得到体内器官或胎儿的超声图像，从而检测体内器官的健康程度或胎儿的发育情况。然而，部分反射声波会对入射声波形成干扰，从而降低B超成像的对比度及分辨率。因此，如果能够设计出声波非对称透射器件，使得这些声波不再被反射回声源，将有助于提高医学超声成像的质量。此外，声波非对称透射效应还可用于单向声屏障的设计与制造，聚焦超声治疗及特殊工业技术应用等领域。综上所述，声波非对称透射器件的研制具有十分重要的学术价值和应用前景。

目前，国内外研究人员主要采用非线性介质或特殊线性系统来研制声波非对称透射器件。

(1)利用非线性介质对声波产生的倍频或分频效应，同时结合声子晶体频率带隙的选择机制可以实现声波非对称透射。当声波从非线性介质一侧入射时，声波频率会转化为倍频，倍频后的声波频率在声子晶体通带中，可以通过复合结构；而当该频率的声波从声子晶体一侧入射时，声波频率在声子晶体禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波非对称透射。

(2)设计特殊的线性系统实现声波非对称透射。例如：衍射结构与二维声子晶体构成的线性系统；其中，衍射结构用来改变声波传播方向，而二维声子晶体的方向带隙特性，可以实现对不同方向的声波选择性通过。当声波垂直入射于衍射结构时，产生不同方向的衍射声波，衍射声波的传播方向在声子晶体的方向通带中，可以通过声子晶体，并分布在不同方向上；而当声波从声子晶体一侧垂直入射时，声波在声子晶体方向禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波非对称透射。在此基础上，基于声子晶体的禁带特性，研究人员又提出兰姆波型板状声子晶体、非对称三角形结构声子晶体、弯曲波导管结构声子晶体、梯度折射结构声子晶体等线性系统实现了声波非对称透射。

然而上述现有技术中存在以下不足：当声波通过非线性介质时，声波会产生倍频效应，使得入射声波频率发生改变；且非线性介质的倍频转换效率很低，从而引起非对称透射效应的正向透射率极低；基于声子晶体的方向禁带特性可以实现声波非对称透射，然而，声子晶体需要一定的周期才会产生禁带特性，所以不可避免地导致线性系统的尺寸较大，结构较复杂；由于实现声波非对称透射效应需要非常严格的条件，因此，现有的声波非对称传输器件的频带较窄，且一般只存在一个非对称透射频带。

发明内容

针对现有技术中传统声波非对称透射器件存在正向透射率低，非对称透射频带窄且数目少，尺寸大、结构复杂、不易加工等不足，本发明提供了一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，该器件的正向透射率高、声波非对称透射频带宽且数目较多、结构简单易实现。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，所述金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括平行设置的两块金属平板和两块一维周期性栅格板，两块所述金属平板位于中心处，两块所述一维周期性栅格板分别位于两侧，所述一维周期性栅格板设有至少5个栅格。

优选的，两块所述一维周期性栅格板与相对应金属平板的间距相等。

优选的，两块所述金属平板的宽度h＝0.6-2.4mm，两块所述金属平板之间的间距d₁＝0.24-0.96mm，所述一维周期性栅格板与相对应金属平板的间距d₂＝0.24-0.96mm；位于一侧的所述一维周期性栅格板的栅格间距a₁＝2.16-8.64mm，位于另一侧的所述一维周期性栅格板的栅格间距a₂＝1.44-5.76mm。

优选的，所述一维周期性栅格板的栅格单元横截面为长方形、圆形或正方形。

优选的，所述一维周期性栅格板的栅格单元横截面为长方形，所述栅格单元横截面的宽b＝1.8-7.2mm，高c＝0.48-1.92mm。

优选的，所述一维周期性栅格板的栅格单元横截面为圆形，所述栅格单元横截面的直径d＝1.3mm。

优选的，所述一维周期性栅格板的栅格单元横截面为正方形，所述栅格单元横截面的边长e＝1.0mm。

优选的，所述金属板状复合结构的材料为金属材料或合成金属材料。

优选的，所述金属材料为铜、锌、铁、钢、铝、金、银、镍金属。

优选的，所述合成金属材料为锰铜合金。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，通过平行设置两块金属平板和两块不同栅格常数的一维周期性栅格板，将两块金属平板置于中心处，将两块一维周期性栅格板对称的分布于两侧，从而实现了多频带声波的非对称透射；所述多频带声波非对称透射器件尺寸在毫米量级，结构简单易加工制备，有利于推广应用；所述非对称透射频带较宽，共有4个非对称透射频带，且部分非对称透射频带的正向透射率(从左侧入射的声波)可达80％；所述非对称透射频带范围广，当金属板状复合结构尺寸变小，非对称透射频带向高频平移，可高达2500kHz左右，当金属板状复合结构尺寸变小，非对称透射频带向低频平移，可低至100kHz左右。

附图说明

图1为本发明所述的基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件结构正视图。

图2为实施例1的透射率频谱图。

图3为实施例2的透射率频谱图。

图4为实施例3的透射率频谱图。

图5为实施例4的透射率频谱图。

图6为实施例5的透射率频谱图。

图7为实施例6所述的基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件结构正视图。

图8为实施例6的透射率频谱图。

图9为实施例7所述的基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件结构正视图。

图10为实施例7的透射率频谱图。

附图标记如下：

1-金属平板，2-一维周期性栅格板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括彼此平行的两块金属平板1和两块一维周期性栅格板2，两块金属平板1位于中心处，两块一维周期性栅格板2分布于两侧且关于两块金属平板1对称，每块所述一维周期性栅格板2设有至少5个栅格，所述一维周期性栅格板2中的栅格总数能够覆盖到相应的金属平板1。

两块所述金属平板1的宽度h＝1.0mm、间距d₁＝0.4mm，一维周期性栅格板2与相对应的金属平板1间距d₂＝0.4mm；位于左侧的一维周期性栅格板2的栅格间距a₁＝3.6mm，位于右侧的一维周期性栅格板2的栅格间距a₂＝2.4mm。一维周期性栅格板2的栅格单元横截面为长方形，其中宽b＝3.0mm、高c＝0.8mm。

为了计算声波非对称透射率频谱，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。其中金属板状复合结构的参数同该装置上述各参数，即h＝1.0mm，d₁＝0.4mm，d₂＝0.4mm，a₁＝3.6mm，a₂＝2.4mm，b＝3.0mm，c＝0.8mm；金属板状复合结构的材料选用黄铜，计算时所用的材料参数分别为：黄铜的密度8400kg/m³，纵波速度4400m/s及横波速度2200m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。

周期性栅格会对入射声波进行衍射，从而产生各级衍射波，改变声波的传播方向，而浸没在水中金属平板的兰姆波非对称模式的泄漏角度对不同方向的声波进行选择，只要衍射波的传播方向与浸没在水中金属平板的兰姆波非对称模式的泄漏角度方向一致时，即可通过金属平板，因此所产生的非对称透射频带较宽。从图2中可以看出，在300kHz-1500kHz中，共出现4个非对称透射频带(阴影区域)，分别为频带Ⅰ：428kHz-503kHz，频带Ⅱ：638kHz-765kHz，频带Ⅲ：957kHz-1065kHz，频带Ⅳ：1335kHz-1421kHz。

在频带Ⅰ和频带Ⅲ中，从左侧入射的声波(用实线表示)对应的透射率明显高于从右侧入射的声波(用虚线表示)对应的透射率，则从左侧入射的声波可以通过金属板状复合结构，而从右侧入射的声波几乎不能通过复合结构；在频带Ⅱ和频带Ⅳ中则情况相反，从右侧入射的声波(用虚线表示)对应的透射率明显高于从左侧入射的声波(用实线表示)对应的透射率，则此时从右侧入射的声波可以通过金属板状复合结构，从左侧入射的声波几乎不能通过复合结构，从而形成声波的非对称透射效应。

同时，在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到80％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率同样可达到80％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应非常明显。

实施例2

采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。现保持黄铜和水的材料参数不变，即黄铜的密度8400kg/m³，纵波速度4400m/s及横波速度2200m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。同时缩放其他结构参数为原来的2.4倍，即金属板状复合结构的参数为a₁＝8.64mm，a₂＝5.76mm，d₁＝d₂＝0.96mm，b＝7.2mm，c＝1.92mm，h＝2.4mm。

从图3中可以看出，在150kHz-700kHz频率区间同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)，声波非对称透射频率可低至200kHz；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到60％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率同样可达到55％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应较为明显。

实施例3

采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。现保持黄铜和水的材料参数不变，即黄铜的密度8400kg/m³，纵波速度4400m/s及横波速度2200m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。同时缩放其他结构参数为原来的0.6倍，金属板状复合结构的参数为a₁＝2.16mm，a₂＝1.44mm，d₁＝d₂＝0.24mm，b＝1.8mm，c＝0.48mm，h＝0.6mm。

从图4中可以看出，在500kHz-2400kHz频率区间同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)，声波非对称透射频率可高达2400kHz；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到80％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率同样可达到90％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应给出明显。

对比图2、图3和图4可以看出，变化金属板状复合结构的参数，可以使得非对称透射频带发生平移，从而在200kHz-2400kHz频率范围内获得声波非对称透射效应。

实施例4

除了黄铜之外，本发明所提出的非对称透射效应还可以适用其他金属或合金材料的板状复合结构，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。金属板状复合结构的参数为a₁＝3.6mm，a₂＝2.4mm，d₁＝d₂＝0.4mm，b＝3.0mm，c＝0.8mm，h＝1.0mm。金属板状复合结构的材料选用锰铜，计算所用的材料参数分别为：锰铜的密度8400kg/m³，纵波速度4660m/s及横波速度2350m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。

从图5中可以看出，在400kHz-1500kHz频率范围中同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到75％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率可达到60％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应较为明显。

实施例5

采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。金属板状复合结构的参数为a₁＝3.6mm，a₂＝2.4mm，d₁＝d₂＝0.4mm，b＝3.0mm，c＝0.8mm，h＝1.0mm。金属板状复合结构的材料选用锌，计算所用的材料参数分别为：锌的密度7100kg/m₃，纵波速度4170m/s及横波速度2410m/s；水的密度998kg/m₃及声速1483m/s。

从图6中可以看出，在400kHz-1500kHz频率范围中同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到78％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率可达到65％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应较为明显。

实施例6

如图7所示，一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括彼此平行的两块金属平板1和两块一维周期性栅格板2，所述两块金属平板1位于中心处，所述一维周期性栅格板2分别位于两块金属平板1的两侧。

两块所述金属平板1的宽度h＝1.0mm、间距d₁＝0.4mm，所述一维周期性栅格板2与相对应的金属平板1间距d₂＝0.4mm；位于金属平板1左侧的所述一维周期性栅格板2的栅格间距a₁＝3.6mm，位于右侧的所述一维周期性栅格板2的栅格间距a₂＝2.4mm。所述一维周期性栅格板2的栅格单元截面为圆形，直径d＝1.3mm。

为了计算声波非对称透射率频谱，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。其中金属板状复合结构的参数同该装置上述各参数；金属板状复合结构的材料选用黄铜，计算所用的材料参数分别为：黄铜的密度8400kg/m³，纵波速度4400m/s及横波速度2200m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。

从图8中可以看出，在300kHz-1500kHz频率范围中同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到60％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率可达到60％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应较为明显。

实施例7

如图9所示，一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括彼此平行的两块金属平板1和两块一维周期性栅格板2，所述两块金属平板1位于中心处，所述一维周期性栅格板2分别位于两块金属平板1的两侧。

两块所述金属平板1的宽度h＝1.0mm、间距d₁＝0.4mm，所述一维周期性栅格板2与相对应的金属平板1间距d₂＝0.4mm；位于金属平板1左侧的所述一维周期性栅格板2的栅格间距a₁＝3.6mm，位于右侧的所述一维周期性栅格板2的栅格间距a₂＝2.4mm。所述一维周期性栅格板2的栅格单元截面设为正方形，其边长e＝1.0mm，其他各参数同实施例6中所述，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属板状复合结构模型。

从图10中可以看出，在300kHz-1500kHz频率范围中同样出现4个非对称透射频带(从左到右依次为频带Ⅰ、频带Ⅱ、频带Ⅲ和频带Ⅳ)；在频带Ⅰ中，从左侧入射的声波的透射率可达到48％，而在频带Ⅱ中，从右侧入射的声波的透射率可达到30％，因此，在频带Ⅰ和频带Ⅱ中，非对称透射效应明显。

对比实施例6和实施例7可以看出，本发明所提出的金属板状复合结构中一维周期性栅格2可适用于不同形状的单元结构。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，包括金属板状复合结构和水，所述金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括平行设置的两块金属平板(1)和两块一维周期性栅格板(2)，两块所述金属平板(1)位于中心处，两块所述一维周期性栅格板(2)分别位于两侧，所述一维周期性栅格板(2)设有至少5个栅格；

两块所述一维周期性栅格板(2)与相对应金属平板(1)的间距相等；

两块所述金属平板(1)的宽度h＝0.6-2.4mm，两块所述金属平板(1)之间的间距d₁＝0.24-0.96mm，所述一维周期性栅格板(2)与相对应金属平板(1)的间距d₂＝0.24-0.96mm；位于一侧的所述一维周期性栅格板(2)的栅格间距a₁＝2.16-8.64mm，位于另一侧的所述一维周期性栅格板(2)的栅格间距a₂＝1.44-5.76mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述一维周期性栅格板(2)的栅格横截面为长方形、圆形或正方形。

3.根据权利要求2所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述一维周期性栅格板(2)的栅格横截面为长方形，所述栅格横截面的宽b＝1.8-7.2mm，高c＝0.48-1.92mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述一维周期性栅格板(2)的栅格横截面为圆形，所述栅格横截面的直径d＝1.3mm。

5.根据权利要求2所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述一维周期性栅格板(2)的栅格横截面为正方形，所述栅格横截面的边长e＝1.0mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述金属板状复合结构的材料为金属材料或合成金属材料。

7.根据权利要求6所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述金属材料为铜或锌或铁或铝或金或银或镍金属，所述合成金属材料为钢。

8.根据权利要求6所述的一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，其特征在于，所述合成金属材料为锰铜合金。