CN106373557B - 可重构的声子功能波导结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构的声子功能波导结构及其制作方法。包括：环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体(如水)；底面封层封闭环状柱的底部，多个封底的环状柱同轴并且周期性排列，相邻的封底环状柱之间通过所述弱连接体连接，弱连接体与封底的所述环状柱的中心连线同轴，弱连接体的高度与封底环状柱的高度相同；根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在指定线路的环状柱中加入指定高度的液体。本发明通过采用环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体(如水)来构造可重构的声子功能波导结构，声子功能波导结构的线路类型、线路中液体种类和高度以及其它环状柱中液体种类和高度可以改变，从而构成各种类型的缺陷，满足不同的声学特性要求。

Description

可重构的声子功能波导结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及声子晶体技术领域，尤其涉及一种可重构的声子功能波导结构及其制作方法。

背景技术

近年来，科技工作者对由两种或两种以上材料周期排列组成声子晶体的波动特性产生了浓厚的兴趣。声子晶体的一个独特性质是可能会产生声子带隙，即一定频率范围的弹性波传播被抑制。因此，声子晶体的出现为传统周期结构中波传播问题的研究注入了新的活力。其中，缺陷的引入为利用声子晶体实现波传播的操控及设计制作新型声学器件提供了新的思路，因而受到人们的广泛关注。

在完好的声子晶体结构中，移除或增加一个、多个或成排的散射体，或者改变这些散射体的大小形状，会破坏结构原有的周期性，进而形成点、线或面缺陷。当声子晶体中存在某种缺陷时，会在其带隙范围内形成局域态的波，其能量集中在缺陷附近，随着远离缺陷，能量迅速衰减。缺陷的引入为声学器件的制作开辟了新的道路。例如点缺陷可用于设计新型的微腔器件；线缺陷可以用来设计高效的波导和延迟器等器件；面缺陷则像一个完美的反射镜等。将点、线缺陷结合则可以设计各种声学功能器件，如滤波器、耦合器、分离器等。

对声子晶体缺陷态的研究，国内外学者已经做了许多探索。在线缺陷方面，已有许多学者通过数值模拟和实验探究了声波导的问题。但是实验所设计的声子功能波导结构只能研究其中一种类型的缺陷或者某种缺陷的一种形状，重复利用率极低，存在着一定的局限性。因此，必须寻找一种可重复利用的声子功能波导结构，在不改变结构的前提下，可设计不同类型、不同形状的缺陷，满足不同的声学特性要求，提高结构的利用率。

发明内容

为了克服现有结构难以实现通过重构来调节波导的不足，本发明实施例提供了一种可重构的声子功能波导结构及其制作方法。该结构可重复利用，无需反复加工，以实现灵活构成各种类型的缺陷，满足不同的声学特性要求。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种可重构的声子功能波导结构，包括：环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体；

所述底面封层设置在所述环状柱的底部，封闭所述环状柱的底部，多个封底的所述环状柱同轴并且周期性排列，相邻的封底的所述环状柱之间通过所述弱连接体连接，所述弱连接体与封底的所述环状柱的中心连线同轴，所述弱连接体的高度与封底的所述环状柱的高度相同；

根据所述可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在指定线路的环状柱中加入指定高度的液体。

进一步地，在除了所述指定线路的环状柱之外的其它环状柱中加入相同或不同种类的液体，所述其它环状柱中的液体高度与所述指定线路的环状柱中的液体高度不同。

进一步地，所述弱连接体呈薄板状。

进一步地，所述环状柱的外部截面形状、内孔截面形状为圆形或正方形或者长方形或者规则的多边形。

进一步地，所述指定线路包括：直线型、折线型、弧线型、圆环型、多边形型或者分叉型。

根据本发明的另一个方面，提供了一种可重构的声子功能波导结构的制作方法，包括：

在环状柱的底部设置底面封层，所述底面封层封闭所述环状柱的底部，将多个封底的环状柱同轴并且周期性排列，相邻的封底的所述环状柱之间通过弱连接体连接，所述弱连接体与封底的所述环状柱的中心连线同轴，所述弱连接体的高度与封底的所述环状柱的高度相同；

根据所述可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在指定线路的环状柱中加入指定高度的液体。进一步地，所述方法还包括：

根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在除了所述指定线路的环状柱之外的其它环状柱中加入相同或不同种类的液体，所述其它环状柱中的液体高度与所述指定线路的环状柱中的液体高度不同。

进一步地，所述方法还包括：

根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，设定多个指定线路，在不同的指定线路上的环状柱中加入相同或者不同种类的指定高度的液体。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过采用环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体(如水)来构造可重构的声子功能波导结构，声子功能波导结构的线路类型、线路中液体种类和高度以及其它环状柱中液体种类和高度可以改变，从而构成各种类型的缺陷，满足不同的声学特性要求。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种可重构的声子功能波导结构；

图2是本发明实施例提供的一种单胞的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种四种不同形状的单胞环状柱的横截面图；(a)圆形柱圆形孔、(b)圆形柱方形孔、(c)方形柱圆形孔、(d)方形柱方形孔；

图4是本发明实施例提供的一种线缺陷结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种声子晶体沿ΓX方向的能带结构图；(a)无缺陷、(b)直线型缺陷处加H3＝0.1H1高度的水、(c)直线型缺陷处加H3＝0.2H1高度的水。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示出的是本发明实施例提供的一种可重构的声子功能波导结构。包括环状柱1、弱连接体2和底面封层4，所述底面封层4设置在环状柱的底部，封闭环状柱的底部，封底的环状柱1同轴阵列周期性排列，相邻的封底环状柱1之间由与其中心连线同轴的弱连接体2连接，弱连接体2呈薄板状，其高度与封底的环状柱1的高度相同。

在某一指定线路的环状柱1中加入指定高度的液体3，除了指定线路的之外的其它环状柱1中加入相同或不同种类的液体3，其它环状柱1中的液体高度与指定线路中液体的高度不同。

如图2所示出的单胞环状柱1的立体结构示意图，其中r₁是圆环状柱1的外径；r₂是圆环状柱1的内径；b是弱连接体2的厚度；H是封底的环状柱1高；H₁是封底前的圆环状柱高；H₂是底面封层4的厚度；H₃是所加液体3的高度。

上述环状柱1、弱连接体2和底面封层4可以采用声子晶体板制作。

图3是本发明实施例提供的一种四种不同形状的单胞环状柱1的横截面图；(a)圆形柱圆形孔、(b)圆形柱方形孔、(c)方形柱圆形孔、(d)方形柱方形孔。

下面结合附图对本发明的可重构的声子功能波导结构的制作方法进行详细描述，包括以下步骤：

步骤1；选择材料组分；环状柱1、弱连接体2和底面封层4三部分为固体材料；所加液体3为液体材料，选择所需厚度H的完整的声子晶体板；

步骤2；在完整的声子晶体板上钻孔；钻出所需形状的周期性排列的内外孔，内外孔可以是圆形柱圆形孔，其截面如图3a所示；可以是圆形柱方形孔，其截面如图3b所示；可以是方形柱圆形孔，其截面如图3c所示；可以是方形柱方形孔，其截面如图3d所示；图3a、图3b、图3c和图3d中单胞截面图的边长是晶格常数。其中内孔底面封层4不钻透，形成环状柱1；

在实际应用中，环状柱的外部截面形状、内孔截面形状为圆形或正方形或者长方形或者规则的多边形，等各种形状。

本领域技术人员应能理解上述环状柱形状的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的环状柱形状的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

步骤3；在沿X轴方向位于中心的一排环状柱中加入指定高度的液体3，其它环状柱中加满相同或不同种类的液体3，形成满足特定声学特性要求的声子功能波导结构。

步骤4；对于不同的声学特性要求，改变线路类型以及液体3的种类和高度，形成可重构的声子功能波导结构。

在实际应用中，可以根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，设定多个指定线路，在不同的指定线路上的环状柱中加入相同或者不同种类的指定高度的液体。

步骤5；方法的适用性。对于不同的结构力学特性要求，根据步骤1，选择材料组分，制作所需厚度的完整的声子晶体板；根据步骤2在完整的声子晶体板上钻孔；根据步骤3，在结构的其中一排环状柱中加入指定高度的液体，其它环状柱中加满相同或不同种类的液体；根据步骤4，改变线路类型以及液体3的种类和高度，形成可重构的声子功能波导结构。

本发明中的波导的线路可自由改变，如直线型、折线型、弧线型、圆环型、多边形型或者分叉型等，环状柱中添加液体的种类及高度可以任意改变，可重复利用，无需反复加工。

下面结合具体实例对本发明做进一步的阐述：

根据结构声学特性的要求，选择合适的材料；本实施例中声子晶体板材料为铝，弹性模量为E＝6.89×10¹⁰Pa，密度为2700kg/m³；液体为水，密度为1025kg/m³，波速为1531m/s；

圆环状柱1的单胞结构示意图如图2所示；封底的圆环状柱1外径r₁为8.2mm，内径r₂为6.2mm，柱高H为11mm，其中圆环状柱高H₁为10mm，底面封层H₂为1mm，弱连接体2的厚度与底面封层的厚度相同，为1mm，封底的圆环状柱中添加的水的高度自由，为H₃；单胞周期性排列形成图1所示的可重构的声子晶体波导结构；图2中单胞截面图的边长，即晶格常数，为20mm。

如图所示图4为本发明所设计的其中一种直线型缺陷；在7×7的材料结构中，其中沿X轴方向位于中心的一排单胞中加不同高度的水，其余单胞中加满水；

在图5所示的实施例中，图5(a)为无缺陷(所有单胞中都加满水)的声子晶体ΓX方向的能带结构图；图5(b)为直线型缺陷处加H₃＝0.1H₁高度的水的声子晶体ΓX方向的能带结构图；图5(c)为直线型缺陷处加H₃＝0.2H₁高度的水的声子晶体ΓX方向的能带结构图。图中横坐标为简约波矢量，纵坐标为无量纲频率。

从图5(a)中可以看出无缺陷的声子晶体在无量纲频率0.5779和0.6059之间产生了带隙；从图5(b)中可以看出在直线型缺陷处加H₃＝0.1H₁高度的水之后，导波存在的范围为无量纲频率0.5779和0.6059之间，与无缺陷时的带隙范围完全一致；从图5(c)中可以看出在直线型缺陷处加H₃＝0.2H₁高度的水之后，在无量纲频率0.5820和0.5965之间出现了部分导波态，在无量纲频率0.5965和0.6037之间出现了部分带隙。此特性可以应用于一些新型声学器件的制作。

由上述分析可以看出，根据本发明所设计的声子晶体波导结构，通过在结构中某一指定线路的环状柱中加入一定高度的液体，其它环状柱中加满相同或不同种类的液体，能够设计出不同类型的波导、分离器和滤波器等声学器件；通过在环状柱中添加不同高度的液体，可调节通过的导波的频率大小，满足不同的声学特性要求。

综上所述，本发明实施例通过采用环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体(如水)来构造可重构的声子功能波导结构，声子功能波导结构的线路类型、线路中液体种类和高度以及其它环状柱中液体种类和高度可以改变，从而构成各种类型的缺陷，满足不同的声学特性要求。

本发明实施例的可重构的声子功能波导结构可重复利用，无需反复加工。在不改变结构的前提下，可设计不同类型、不同形状的缺陷，满足不同的声学特性要求，提高结构的利用率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种可重构的声子功能波导结构，其特征在于，包括：环状柱、弱连接体、底面封层和某种液体；

所述底面封层设置在所述环状柱的底部，封闭所述环状柱的底部，多个封底的所述环状柱同轴并且周期性排列，相邻的封底的所述环状柱之间通过所述弱连接体连接，所述弱连接体与封底的所述环状柱的中心连线同轴，所述弱连接体的高度与封底的所述环状柱的高度相同；

根据所述可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在指定线路的环状柱中加入指定高度的所述某种液体；

在除了所述指定线路的环状柱之外的其它环状柱中加入相同或不同种类的液体，所述其它环状柱中的液体高度与所述指定线路的环状柱中的液体高度不同。

2.根据权利要求1所述的可重构的声子功能波导结构，其特征在于，所述弱连接体呈薄板状。

3.根据权利要求1所述的可重构的声子功能波导结构，其特征在于，所述环状柱的外部截面形状、内孔截面形状为圆形或正方形或者长方形或者规则的多边形。

4.根据权利要求1所述的可重构的声子功能波导结构，其特征在于，所述指定线路包括：直线型、折线型、弧线型、圆环型、多边形型或者分叉型。

5.一种可重构的声子功能波导结构的制作方法，其特征在于，包括：

在环状柱的底部设置底面封层，所述底面封层封闭所述环状柱的底部，将多个封底的环状柱同轴并且周期性排列，相邻的封底的所述环状柱之间通过弱连接体连接，所述弱连接体与封底的所述环状柱的中心连线同轴，所述弱连接体的高度与封底的所述环状柱的高度相同；

根据所述可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在指定线路的环状柱中加入指定高度的液体；

根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，在除了所述指定线路的环状柱之外的其它环状柱中加入相同或不同种类的液体，所述其它环状柱中的液体高度与所述指定线路的环状柱中的液体高度不同。

6.根据权利要求5所述的可重构的声子功能波导结构的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据可重构的声子功能波导结构的声学特性要求，设定多个指定线路，在不同的指定线路上的环状柱中加入相同或者不同种类的指定高度的液体。