CN109961774A - 一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，该周期结构板包括基体板(1)，以及按照周期性排列在所述基体板(1)上凸起设置的m行n列的散射体振子；板基体(1)和散射体振子共同构成了声学或弹性波超材料，具有负折射特性；其中，同一散射体振子由振子内层(2)和振子外层(3)内外两层材料堆叠而成。对入射的特定频率的弹性波或声波能够实现负折射，而在板内沿着波的传播方向通过逐渐改变振子的几何参数实现了折射率的渐变，使从任意方向入射进该结构的特定频率的弹性波或声波逐渐弯曲，从而达到控制波的传播方向的目的，且与入射波之间没有干涉现象。对波导，声波过滤器等领域具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种周期结构,特别是涉及一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板。
背景技术
周期结构,又称声子晶体,是指具有声波或者弹性波带隙的周期性材料或结构，其内部弹性常数及密度呈周期性变化。就其材料组成而言，声子晶体可以是固/固、固/流或流/流体系，也可以是在某材料基体上周期开孔而成的单一材料体系。声子晶体中相互连通的背景材料为基体，不连通的材料为散射体，基体和散射体均可为固体、液体或气体。按照带隙产生机理的不同，声子晶体可分为布拉格散射型声子晶体和局域共振型声子晶体。
超材料是指通过微结构功能基元的设计，能够对其中声波或弹性波的传播进行操控，实现新奇波动特性的一类人工微结构材料。经人工设计将材料按特定方式组合来实现自然界不存在的特殊声学特性的结构。具有梯度折射率的周期结构板是指一种晶格与晶格之间对弹性波或声波的折射率呈梯度变化的声子晶体结构。这种结构具有可以改变一定频率范围内的弹性波或声波传播方向的特点。改变弹性波或声波折射率的方法有改变基体或散射体的材料、改变晶格长度、改变散射体形状、改变散射体填充率等等。由于结构的晶格数量较为庞大，如果通过改变材料或散射体形状来设计结构将会非常复杂。因此采用较为简单的改变散射体几何尺寸的方法，具体为通过逐渐调整每一层的凸起的振子的厚度来逐渐改变折射率。通过逐渐改变振子层的厚度，使入射进该结构的弹性波或声波逐渐弯曲，从而达到控制波的传播方向的目的，且与入射波之间没有干涉现象。该研究对波导，声波过滤器等领域具有潜在价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，通过周期性布置凸起的振子，并沿着列方向逐渐改变振子内层或外层的厚度，逐渐改变弹性波或声波的传播方向，从而控制特定频率波的传播方向。
技术方案：本发明是一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，该周期结构板包括基体板，以及按照周期性排列在所述基体板上凸起设置的m行n列的散射体振子；板基体(1)和散射体振子共同构成了声学或弹性波超材料，具有负折射特性；其中，同一散射体振子由振子内层和振子外层内外两层材料堆叠而成。
所述散射体振子是圆柱体、长方体或者正多边体；组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状可以是正方形，三角形或其它正多边形。
同一散射体振子的振子内层和振子外层，该两层散射体振子的形状、半径或者边长、单胞的排列方式都相同，厚度不同。
在行方向上，散射体振子的布置完全相同，在列方向上，散射体振子内层(2)的厚度不变，而振子外层的厚度逐渐变化，或者振子外层的厚度不变，而振子内层的厚度逐渐变化，
所述振子内层的厚度逐渐变化是按照线性变化或幂指数变化。
基体板和振子外层的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料；振子内层的材料是橡胶或者环氧树脂。
所述板基体与振子内层之间以及振子内层与振子外层之间采用粘贴或者焊接的连接方式。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)周期结构本身就具有带隙特性，能够对特定频率范围内的声波或弹性波的传播进行衰减或屏蔽，因此该周期结构板也能达到减振降噪的目的。
2)传统的弹性波或声波校准元件尺寸大且造价高，使用该凸起型梯度周期结构则可以减小尺度，降低造价。同时制作方便，便于标准化生产。
3)传统材料改变基体或散射体的材料一般较难实现，而通过逐渐改变振子的厚度易于实现梯度折射率，相对简单易行。对波导，声波过滤器等领域具有重要价值。
附图说明
图1a为本发明振子外层厚度逐渐变化的凸起型周期板结构图；
图1b为本发明振子内层厚度逐渐变化的凸起型周期板结构图；
图2为本发明凸起型周期结构板的单胞图；
图3为本发明凸起型周期结构板的单胞的剖面图；
图4为本发明各单胞之间按照正三角形排列的周期结构板的俯视图；
图5a为声波或弹性波入射进梯度折射率周期结构板的传播路线图1；
图5b为声波或弹性波入射进梯度折射率周期结构板的传播路线图2；
图中有：板基体1、振子内层2、振子外层3。
具体实施方式
本发明的形成方法如下：
m行n列的凸起型振子按照周期性排列布置在基体板上，其中同一振子由内外两层材料堆叠而成。振子可以是圆柱，长方体或者正多边体。同时周期结构的晶格形状可以是正方形，三角形或其他正多边形。同一振子两层散射体的形状、半径或者边长、晶格方式都相同，只有可能厚度不同。
在行方向上，内外层振子的布置完全相同，在列方向上，振子内层的厚度不变，而外层的厚度逐渐变化，或者外层的厚度不变，而内层的厚度逐渐变化，可以是按照线性变化，幂指数变化或者其他函数组合等。
基体板和振子的外层的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。振子内层的材料可以是橡胶或者环氧树脂。根据基体板和振子各层的材料，基体板和振子内层以及振子内层和外层之间可以采用粘贴或者焊接的连接方式。
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明：
周期结构,又称声子晶体,是指具有声波或者弹性波带隙的周期性材料或结构，其内部弹性常数及密度呈周期性变化。就其材料组成而言，声子晶体可以是固/固、固/流或流/流体系，也可以是在某材料基体上周期开孔而成的单一材料体系。声子晶体中相互连通的背景材料为基体，不连通的材料为散射体，基体和散射体均可为固体、液体或气体。按照带隙产生机理的不同，声子晶体可分为布拉格散射型声子晶体和局域共振型声子晶体。散射体的中心到相邻散射体中心的距离称为晶格常数。
近十年来，通过类比电磁超材料，人们已设计出许多不同类型的声学超材料和弹性波超材料。超材料是指部分等效参数为负，如负的等效质量密度、负的等效体积模量、负的等效剪切模量和负的等效折射率等。得益于这些负等效参数，声学超材料和弹性波超材料己被证实可实现反常的物理现象，以及存在诸多突破自然材料性能的潜在应用。超材料可以结合拓扑优化来实现，突破人工和经验设计的局限。超材料最主要的反常特性之一是负折射。
实施例1：
如图1a、图2、图3所示，本实施例为振子内层厚度不变，外层厚度逐渐线性变化的凸起型周期结构板，采用正方形晶格，晶格常数设置为a1，凸起设置m排n列的圆柱形振子，同一行的振子大小不变，在列方向上，每行振子内层的厚度均为t0，外层厚度从t1按某一函数规律变化至t2再变化至t1。基体板的材料是混凝土，振子内层材料是硅橡胶，外层材料是钢。
实施例2：
如图1b、图2、图3所示，本实施例为振子外层厚度不变，内层厚度逐渐线性变化的凸起型周期结构板，采用正方形晶格，晶格常数设置为a2，凸起设置m排n列的圆柱形振子，同一行的振子大小不变，在列方向上，每行振子外层的厚度均为t0，内层厚度从t1按某一函数规律变化至t2再变化至t1。基体板的材料是混凝土，振子内层材料是硅橡胶，外层材料是钢。
实施例3：
如图2，图3，图4所示，本实施例为振子按照正三角形晶格排列的凸起型周期结构板，振子内层厚度不变，外层厚度逐渐线性变化，采用正三角形晶格，晶格常数设置为a3，凸起设置m排n列的圆柱形振子，同一行的振子大小不变，在列方向上，每行振子内层的厚度均为t0，外层厚度从t1按某一函数规律变化至t2再变化至t1。基体板的材料是混凝土，振子内层材料是硅橡胶，外层材料是钢。
如图5a、5b所示，特定频率的声波或弹性波射入梯度周期结构板中时，首先在板上产生负折射，然后在板内部由于折射率的梯度变化使得波的传播方向发生弯折，沿着预定的路径传播，其特点与波导类似。通过调节入射波的入射角及其频率可以控制波在梯度周期结构板中的传播路径，在不预置缺陷的情况下可以得到可调波导。
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 (7)
1.一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，该周期结构板包括基体板(1)，以及按照周期性排列在所述基体板(1)上凸起设置的m行n列的散射体振子；板基体(1)和散射体振子共同构成了声学或弹性波超材料，具有负折射特性；其中，同一散射体振子由振子内层(2)和振子外层(3)内外两层材料堆叠而成。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，所述散射体振子是圆柱体、长方体或者正多边体；组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状可以是正方形，三角形或其它正多边形。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，同一散射体振子的振子内层(2)和振子外层(3)，该两层散射体振子的形状、半径或者边长、单胞的排列方式都相同，厚度不同。
4.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，在行方向上，散射体振子的布置完全相同，在列方向上，散射体振子内层(2)的厚度不变，而振子外层(3)的厚度逐渐变化，或者振子外层(3)的厚度不变，而振子内层(2)的厚度逐渐变化。
5.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，所述振子内层(2)的厚度逐渐变化是按照线性变化或幂指数变化。
6.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，基体板(1)和振子外层(3)的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料；振子内层(2)的材料是橡胶或者环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的凸起型周期结构板，其特征在于，所述板基体(1)与振子内层(2)之间以及振子内层(2)与振子外层(3)之间采用粘贴或者焊接的连接方式。
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