CN106981286B - 声波传导介质及声斜入射全反射的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种声波传导介质，包括声子晶体和设置在声子晶体后表面的超表面结构，其中，所述声子晶体由正方体橡胶在水中周期性排列组成，所述橡胶的密度为1300kg/m3；所述超表面结构的相位变化为π/2。本发明提供了一种声斜入射全反射的实现方法，包括：将声波以8.5°角斜入射到上述技术方案所述的声波传导介质中。当声波以8.5°角度入射到本发明提供的声波传导介质中时，该声波不发生散射也不发生透射，能够保持原波形发生全反射。

Description

声波传导介质及声斜入射全反射的实现方法
技术领域
本发明涉及声子晶体技术领域，尤其涉及一种声波传导介质及声斜入射全反射的实现方法。
背景技术
声子晶体是由材料参数不同的弹性媒质周期性排列组成的人工复合材料。狄拉克点是在石墨烯的能带结构中导带和价带相交于布里渊区的六个点，并且在这些交点附近能带是线性分布的，这些特殊的点被称之为狄拉克点。
最近这些年，超材料这方面一直引领着材料的潮流。超材料通常是按一定规律排布的散射体或者通孔构成的一种新的人工合成材料，可以得到自然材料所不具备的一些特性，比如负折射率和近零折射率等。超表面结构就是二维的周期性亚波长结构，它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，在很多应用中，超表面可以达到超材料的效果。
以往研究有关声子晶体狄拉克点的声波入射主要都是以垂直声子晶体的角度进行入射，倾斜入射也只是偏声子晶体的微小的角度。对于大角度的斜入射一般会发生很强的散射现象，得不到很好的现象。因此，如何时声波倾斜入射声子晶体后，声波可以进行全反射也是一种研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声波传导介质及声斜入射全反射的实现方法，本发明提供的声波传导介质能够实现声波大角度入射后保持原来的波形全反射。
本发明提供了一种声波传导介质，包括声子晶体和设置在声子晶体后表面的超表面结构，其中，所述声子晶体由正方体橡胶在水中周期性排列组成，所述橡胶的密度为1300kg/m3；所述超表面结构的相位变化为π/2。
一个实施例中，还包括设置在超表面结构表面的金属板。
其中，所述橡胶的波速为489.89m/s。
其中，所述正方体橡胶的边长为0.315a，其中，a为晶格常数。
一个实施例中，所述超表面结构由折射率为1.333的第一材料、折射率为2.083的第二材料、折射率为1.833的第三材料和折射率为1.583的第四材料按照相位相差π/2的规律排列组合而成。
一个实施例中，所述超表面结构还包括设置在第一材料、第二材料、第三材料和第四材料之间的第五材料，所述第五材料的折射率为1.119。
一个实施例中，所述金属板为铝板。
本发明提供了一种声斜入射全反射的实现方法，包括：
将声波以8.5°角斜入射到上述技术方案所述的声波传导介质中。
本发明提供的声波传导介质包括声子晶体和设置在声子晶体后表面的超表面结构，其中，所述声子晶体由正方体橡胶在水中周期性排列组成，所述橡胶的密度为1300kg/m3；所述超表面结构的相位变化为π/2。所述声子晶体中，水为基体，其密度ρ0＝1000Kg/m3、波速v0＝1490m/s；正方体橡胶为散射体，其密度ρ1＝1300Kg/m3，波速v1＝489.89m/s。该声子晶体模型在XM方向具有固定的狄拉克点。其中，当橡胶为正方体柱，其长边长为R＝0.315a，产生一个约化频率wD＝0.8167(2πv0/a)的狄拉克点，该狄拉克点频率在其他位置都为禁带。所述超表面结构的相位变化为π/2，能够使声波保持原来的波形反射。当声波以8.5°角度入射到本发明提供的声波传导介质中时，该声波不发生散射也不发生透射，只能够发生全反射。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的声子晶体的单胞模型；
图2为本发明实施例1提供的声子晶体的二维能带图；
图3是本发明提供的声波传导介质的结构示意图；
图4是本发明实施例1提供的超表面结构超胞结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的超表面结构及铝板的结构示意图；
图6为本发明模拟声波以8.5°斜入射到厚度L＝13a的声子晶体前后的场图；
图7为本发明声波以8.5°斜入射到声波传导介质中的场图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的声波传导介质及声斜入射全反射的实现方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将长方体橡胶在水中周期性排列形成声子晶体，所述橡胶的密度为1300kg/m3，波速为489.89m/s，正方体柱的边长R＝0.315a。
参见图1，图1为本发明实施例1提供的声子晶体的单胞模型，该声子晶体为二维固液正方晶格体系，其晶格常数a为1。
对上述声子晶体进行分析，结果参见图2，图2为本发明实施例1提供的声子晶体的二维能带图，由图2可知，可以看出在XM方向，约化频率wD＝0.8167(2πv0/a)存在一个狄拉克点，且其他方向上均是禁带。
在声子晶体后表面设置超表面结构，并在超表面结构表面设置铝板，参见图3、图4和图5，图3是本发明提供的声波传导介质的结构示意图，其中，1为声子晶体，2为超表面结构，3为铝板；图4是本发明实施例1提供的超表面结构超胞结构示意图，其中，n1为折射率为1.333的水、n2为折射率为2.083的第二材料、n3为折射率为1.833的第三材料，n4为折射率为1.583的第四材料，h为厚度，m为超胞含有狭缝数量，w为缝宽，p为相邻缝的间距，超胞的周期尺寸为d＝m(w+p)；图5为本发明实施例1提供的超表面结构级铝板的结构示意图，其中，n1为折射率为1.333的水、n2为折射率为2.083的第二材料、n3为折射率为1.833的第三材料，n4为折射率为1.583的第四材料，n5为折射率为1.119的橡胶，n6为折射率为2.730的铝板。水、第二材料、第三材料和第四材料之间的相位依次相差π/2，水、第二材料、第三材料和第四材料之间由塑料填充，形成超表面结构。水、第二材料、第三材料、第四材料、塑料和铝板的阻抗与声子晶体中水的阻抗相同。
本发明模拟声波以8.5°斜入射到声子晶体及声波传导介质，参见图6和图7，图6为本发明模拟声波以8.5°斜入射到厚度L＝13a的声子晶体前后的场图，图7为本发明声波以8.5°斜入射到声波传导介质中的场图，其中，声子晶体厚度L＝13a。由图5和图6可知，声波以8.5°斜入射到声波传导介质中保持原来波形发生了全反射。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种声波传导介质，包括声子晶体和设置在声子晶体后表面的超表面结构，其中，所述声子晶体由正方体橡胶在水中周期性排列组成，所述橡胶的密度为1300kg/m3；所述超表面结构的相位变化为π/2；
所述声波传导介质能够实现声波大角度入射后保持原来的波形全反射。
2.根据权利要求1所述的声波传导介质，其特征在于，还包括设置在超表面结构表面的金属板。
3.根据权利要求1或2所述的声波传导介质，其特征在于，所述橡胶的波速为489.89m/s。
4.根据权利要求3所述的声波传导介质，其特征在于，所述正方体橡胶的边长为0.315a，其中，a为晶格常数。
5.根据权利要求1或2所述的声波传导介质，其特征在于，所述超表面结构由折射率为1.333的第一材料、折射率为2.083的第二材料、折射率为1.833的第三材料和折射率为1.583的第四材料按照相位相差π/2的规律排列组合而成。
6.根据权利要求5所述的声波传导介质，其特征在于，所述超表面结构还包括设置在第一材料、第二材料、第三材料和第四材料之间的第五材料，所述第五材料的折射率为1.119。
7.根据权利要求2所述的声波传导介质，其特征在于，所述金属板为铝板。
8.一种声斜入射全反射的实现方法，其特征在于，包括：
将声波以8.5°角斜入射到权利要求1~7任意一项所述的声波传导介质中。
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