CN107424599B - 声子晶体及声波出射方位的调控方法 - Google Patents

声子晶体及声波出射方位的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种声子晶体，由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3。本发明还提供了一种声波出射方位的调控方法。本发明提供的声子晶体由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3。所述声子晶体中，水为基质，其密度为ρ＝1.0×103Kg/m3，纵波波速Cl＝1.49×103m/s；钢柱体为散射体，其密度为ρ＝7.67×103Kg/m3，纵波波速Cl＝6.01×103m/s，横波波速Cl＝3.23×103m/s。上述钢柱体在水中周期性排列组成二维声子晶体，其具有自准直效应，可以通过旋转钢柱体的角度实现声波在频率不发生变化的前提下出射方位的调控，其制作工艺简单，可设计性强。

Description

声子晶体及声波出射方位的调控方法
技术领域
本发明涉及声子晶体技术领域，尤其涉及一种声子晶体及声波出射方位的调控方法。
背景技术
声/光子晶体是近二十多年新发展起来的新型人工周期材料。其中，光子晶体的首次发现稍早于声子晶体，目前，光子晶体方面的研究已逐渐走上应用探索之路，比如光子晶体光纤、波导及纳米谐振腔等。类比于光子晶体，随后提出的能够对声波进行处理的声子晶体，更是引起了一大批科学工作者的关注。声子晶体一个重要特性是声子禁带，频率位于禁带内的声波被禁止传播，这一特性可用于减震降噪、声能俘获以及制作消声器件等等。而近年来，通带内某些频率处的声波在声子晶体中传输时，表现出一些有趣且有极大研究意义的特性，这些特性包括：声聚焦、负折射、自准直效应。
自准直效应，是指当波在晶体中传输时，能够沿着入射方向无衍射准直传输。自准直效应的产生，源于非均匀介质的特殊色散性质：即在某些频率处，等频线变的非常平坦。由于能量传播的方向垂直于等频线，所以在晶体内，具有准直频率处的波沿着等频线的法线方向，这样实现了在不引入缺陷的情况下，波在晶体中的几乎无衍射传输。能够产生自准直效应的频率，由第一布里渊内的二维等频线确定。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。且基于自准直效应的光子晶体器件非常适于应用在光集成线路中。
同样，在声子晶体中，我们可以通过设计适当的晶体结构，实现声子晶体分束器、干涉仪和声滤波器等。所以，自准直声波的研究对声子晶体的研究具有重要意义。目前，声波出射方位的调控，是通过在结构里设置线缺陷来实现。这样的调控方式，容易引入结构耦合损耗，有能量耗散。并且，对制备要求较高，不利于集成，故投入实际应用不太乐观。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声子晶体及声波出射方位的调控方法，本发明提供的声子晶体能够保持声波频率不变的前提下调控声波出射方位，制作工艺简单，可设计性强。
本发明提供了一种声子晶体，由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3。
其中，所述钢柱体的纵波波速为6.01×103m/s，横波波速为3.23×103m/s。
在一个实施例中，所述钢柱体为长方体，所述长方体的长为0.7a，宽为0.35a，其中，a为晶格常数。
其中，所述晶格常数为1～10。
在本发明中，所述钢柱体在水中周期性排列的结构为长方形、正方形或六角形。
本发明还提供了一种声波出射方位的调控方法，包括：
将声波入射到声子晶体中，所述声子晶体由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3。
其中，所述钢柱体的纵波波速为6.01×103m/s，横波波速为3.23×103m/s。
在一个实施例中，所述钢柱体为长方体，所述长方体的长为0.7a，宽为0.35a，其中，a为晶格常数。
其中，所述晶格常数为1～10。
本发明中，所述钢柱体在水中可沿逆时针方向旋转0°～90°。
本发明提供了一种声子晶体，由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3。所述声子晶体中，水为基质，其密度为ρ＝1.0×103Kg/m3，纵波波速Cl＝1.49×103m/s；钢柱体为散射体，其密度为ρ＝7.67×103Kg/m3，纵波波速Cl＝6.01×103m/s，横波波速Cl＝3.23×103m/s。上述钢柱体在水中周期性排列组成二维声子晶体，其具有自准直效应，可以通过旋转钢柱体的角度实现声波在频率不发生变化的前提下出射方位的调控，其制作工艺简单，可设计性强。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的声子晶体的横截面结构示意图；
图2为旋转0°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图；
图3为旋转45°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图；
图4为旋转90°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图；
图5为声波入射到旋转0°的声子晶体的声场分布图；
图6为声波入射到旋转45°的声子晶体的声场分布图；
图7为声波入射到旋转90°的声子晶体的声场分布图。
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子晶体及声波出射方位的调控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
将长方体钢柱在水中周期性排列成长方形的二维晶格形成声子晶体，所述长方体钢柱密度为ρ＝7.67×103Kg/m3，纵波波速Cl＝6.01×103m/s，横波波速Cl＝3.23×103m/s；水的密度为ρ＝1.0×103Kg/m3，纵波波速Cl＝1.49×103m/s；长方体钢柱的长为0.7a，宽为0.35a，a为1。
参见图1，图1为本发明实施例1提供的声子晶体的横截面结构示意图，其中，1为长方体钢柱。
分别将长方体钢柱逆时针旋转0°、45°和90°，参见图2、图3、图4、图5、图6、和图7，图2为旋转0°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图，图3为旋转45°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图，图4为旋转90°的声子晶体最低一条能带映射在第一布里渊区内的等频线图，图5为声波入射到旋转0°的声子晶体的声场分布图，图6为声波入射到旋转45°的声子晶体的声场分布图，图7为声波入射到旋转90°的声子晶体的声场分布图。
由图2、图3、图4、图5、图6和图7可知，本发明提供的声子晶体具有自准直效应，可以通过旋转钢柱体的角度实现声波在频率不发生变化的前提下出射方位的调控，其制作工艺简单，可设计性强。。
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 (2)

1.一种声波出射方位的调控方法，其特征在于，包括：
将声波入射到声子晶体中，所述声子晶体由钢柱体在水中周期性排列组成，所述钢柱体的密度为7.67×103kg/m3；
所述钢柱体为长方体，所述长方体的长为0.7a，宽为0.35a，其中，a为晶格常数；所述晶格常数为1～10；
所述钢柱体在水中可沿逆时针方向旋转0°～90°；
所述钢柱体在水中周期性排列的结构为长方形、正方形或六角形。
2.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述钢柱体的纵波波速为6.01×103m/s，横波波速为3.23×103m/s。
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高对称型声子晶体自准直弯曲及分束;宋宗根，邓科，何兆剑，赵鹤平;《物理学报》;20160505;第65卷(第9期);全文 *

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