CN109377977A - 主动控制波传播路径的压电型声子晶体板及其应用 - Google Patents

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何晋丞
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Abstract

本发明公开一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板及其应用，利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于线缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的传播方向，相比较原有的传统线缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，可以通过调整压电片的位置，随意控制波的传播方向，或者改变波的传播路径。

Description

主动控制波传播路径的压电型声子晶体板及其应用
技术领域
本发明属于一种可以控制波传播路径的类似波导原件的声学装置，具体为一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，可以作用于各种波导元件中，或作用于其他声学器件来改变波的传播方向，可以用来制备新型的信号分离器件。
背景技术
传统的缺陷态声子晶体分为点缺陷和线缺陷，线缺陷态声子晶体对于控制波的传播路径有着显著影响，研究表明弹性波可以在线缺陷的路径处传播，从而实现波导的特性，在实际应用中，线缺陷态声子晶体既可以作为各种波导元件又可以作为其他信号分离元件来改变波的传播方向，应用相当广泛，如图1二维三组元声子晶体线缺陷的简化图和实物图，从模态图中可以看出，通过在声子晶体中构建线缺陷，声波大致沿着线缺陷在传播，其余位置的声压响因相对偏低，这种控制声波的传播路径优点是操作方便，结构构造简单，而且效果稳定，作为波导元件或者信号分离元件应用价值很高，但是，传统的线缺陷声子晶体结构固定，波传播方向不能改变，不能实现波传播的主动控制，在实际应用中不是很灵活。
邓连智通在四氯化碳/水银系统中去除一列四氯化碳柱，用甘油替代，组成了二维三组元线缺陷态声子晶体，如图2所示，并通过改变结构研究了几何参数对声子晶体带隙的影响，对工程应用中设计频率滤波器和声转能器有着重要的帮助，此设计在不改变带隙的基础上实现了对波的传播控制特性，有很强的实用价值，不过其也存在声波传播位置固定，缺陷态单一，太依赖于结构设计等弊端。
发明内容
针对背景中存在的问题和不足之处，本发明属于一种可以控制波传播路径的类似波导原件的声学装置，利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于线缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的传播方向，相比较原有的传统线缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，可以通过调整压电片的位置，随意控制波的传播方向，或者改变波的传播路径。
为实现上述目的，本发明提供了一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
所述金属外框为铝制成。
所述软质基体采用橡胶制成。
进一步的，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
本发明还提供上主动控制波传播路径的压电型声子晶体板的应用，其特征在于，包括所述声子晶体板、LCR电路；具体操作方法是将压电片贴在需要产生声学黑洞的散射体上，然后将压电片连接到LCR电路中，通过改变LCR电路中电感和电容的数值，改变压电片的弹性模量，从而改变整个散射体的等效弹性模量；当整个散射体的弹性模量为负值时，声子晶体整体呈现线缺陷的情形，达到控制波传播的效果。
进一步的，将压电片连接到LCR电路中的结构为：将每个散射体上下表面的压电片分别接入LCR电路的母线中；
进一步的，所述LCR电路包括固定电容Cp，电容C、电感L、电阻R，通过改变LCR电路中的电容C、电感L的值来改变散射体弹性模量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
在压电作用下散射体的等效弹性模量如图6所示，LCR电路中选取L＝7×10-3HC＝2×10-7F，当频率为29000Hz到30000Hz时，等效弹性模量为负，此时整体声子晶体体现为线缺陷的情形。选取声子晶体中某一路径的散射体安装上压电片，通过COMSOL软件计算其模态，可以看出其声波沿着安装压电片的散射体的方向传播，说明压电型声子晶体对声波的传播方向起到了主动控制效果，通过计算器幅频响应曲线中也可以看出，在声子晶体的带隙范围内，加入压电片的路径上的声传播损失较小，相比较其他位置传播损失降低了百分之24，这也说明了声波主要是沿着安装压电片的散射体的方向传播的。
附图说明
图1为现有技术中维三组元声子晶体线缺陷简化图和模态图；
图2为线陷态声子晶体结构简图；
图3为声子晶体模型示意图；
图4为压电片安装示意图；
图5为LCR电路示意图；
图6为压电作用下的等效弹性模量示意图；
图7为本发明散射体(钢柱)示意图；
图8为本发明基体和软橡胶示意图；
图中1为钢柱，2为铝基体，3为丁晴橡胶板，4为压电片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于此。
如图7所示，本发明提供一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
如图8所示，所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
所述金属外框为铝制成，所述软质基体采用橡胶制成。
进一步的，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
本发明还提供上主动控制波传播路径的压电型声子晶体板的应用，其特征在于，包括所述声子晶体板、LCR电路；具体操作方法是将压电片贴在需要产生声学黑洞的散射体上，然后将压电片连接到LCR电路中，通过改变LCR电路中电感和电容的数值，改变压电片的弹性模量，从而改变整个散射体的等效弹性模量；当整个散射体的弹性模量为负值时，声子晶体整体呈现线缺陷的情形，从而达到声学黑洞的效果。
进一步的，将压电片连接到LCR电路中的结构为：将每个散射体上下表面的压电片分别接入LCR电路的母线中；
所述LCR电路包括Cp、电容C、电感L、电阻R。Cp这个电容的作用作为一个固定电容，相当于给结构提供一定的阻尼，主要是通过改变LCR电路中的电容C、电感L的值来改变散射体弹性模量。
该声子晶体板利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于线缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的传播方向，相比较原有的传统线缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，可以通过调整压电片的位置，随意控制波的传播方向，或者改变波的传播路径。
本文提出的声子晶体板如图4所示，外部结构为铝作为基体，内部软结构为橡胶，中间散射体为钢材料，本发明中，基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板主要由声子晶体，压电片和LCR电路组成，具体操作方法是将压电片贴在需要产生声学黑洞的散射体(钢柱)上，然后将压电片连接到LCR电路，通过改变LCR电路中电感和电容的数值，改变压电片的弹性模量，从而改变整个散射体的等效弹性模量，当整个散射体的弹性模量为负值时，声子晶体整体呈现线缺陷的情形，从而达到控制波传播的效果，其中压电片安装方法和LCR电路组成由图4和图5所示，接入LCR电路中的散射体为一排或者一列接入，或者按照所需传播的路径接入，每个散射体两端接入到LCR电路母线中。
在压电作用下散射体的等效弹性模量如图6所示，LCR电路中选取L＝7×10-3HC＝2×10-7F，当频率为29000Hz到30000Hz时，等效弹性模量为负，此时整体声子晶体体现为线缺陷的情形。选取声子晶体中某一路径的散射体安装上压电片，通过COMSOL软件计算其模态，可以看出其声波沿着安装压电片的散射体的方向传播，说明压电型声子晶体对声波的传播方向起到了主动控制效果，通过计算器幅频响应曲线中也可以看出，在声子晶体的带隙范围内，加入压电片的路径上的声传播损失较小，相比较其他位置传播损失降低了百分之24，这也说明了声波主要是沿着安装压电片的散射体的方向传播的。
根据几何建模尺寸进行加工，各组分由表1给出，压电片根据实际需求进行采购安装，LCR电路中通过有效算法配备电感电容的数值，并接入到声子晶体中。在实际应用中，可以将此可调型压电声子晶体板作为波导元件或者信号分离元件放置在波源信号中，通过调节压电片的位置，使波按照指定方向传播。
表1
剖面图如图3所示，其中a＝0.36m，e＝0.018m，r＝0.012m，tsteel＝0.018m，trubber＝0.015m，tAl＝0.009m。a为橡胶板的长度，e为铝板多处橡胶板的长度，r为散射体的半径，tsteel为散射体高度，trubber和tAl分别为橡胶和铝板的厚度。其中，橡胶板的厚度与钢柱的高度相同，是整个晶体板在高频处能够控制波的传播。
以上对本发明所提供的主动控制波传播路径的压电型声子晶体板进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。

Claims (7)

1.一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，其特征在于，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
2.根据权利要求1所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，其特征在于，所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，其特征在于，所述金属外框为铝制成。
4.根据权利要求1所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，其特征在于，所述软质基体采用橡胶制成。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板，其特征在于，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板的应用，其特征在于，包括所述声子晶体板、LCR电路；具体操作方法是将压电片贴在需要产生声学黑洞的散射体上，然后将压电片连接到LCR电路中，通过改变LCR电路中电感和电容的数值，改变压电片的弹性模量，从而改变整个散射体的等效弹性模量；当整个散射体的弹性模量为负值时，声子晶体整体呈现线缺陷的情形，达到控制波传播的效果。
7.根据权利要求1所述的一种主动控制波传播路径的压电型声子晶体板的应用，其特征在于，将压电片连接到LCR电路中的结构为：将每个散射体上下表面的压电片分别接入LCR电路的母线中；
所述LCR电路包括固定电容Cp，电容C、电感L、电阻R，通过改变LCR电路中的电容C、电感L的值来改变散射体弹性模量。
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