CN113242037B - 一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门，包括由两种不同旋转角度的三角形构成的声子晶体，即声子晶体I和声子晶体II。相互交叉排布形成正六边形声逻辑门，在界面处形成四个通道的波导，两个端口作为输入端，两个端口作为输出端。所述声逻辑门浸没在空气中。两个单极点源分别位于输入端口I₁和I₂，端口O₁和O₂为输出端。当两个单极点源相位相同、振幅相等时，在输出端O₁产生干涉增强，而在输出端O₂产生干涉相消，从而在同一结构中，基于同一阈值实现了宽频带“或”和“异或”两种逻辑功能，并且具有宽频带特性；引入弯折缺陷时，声逻辑门仍能保持其原有的声逻辑功能，所设计的声逻辑门能够用于声学计算、声学加密、声学识别等。

Description

一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是一种宽频带声逻辑门。

背景技术

声波是现实生活中常见的信息载体，与光波、电磁波相比，声波不受电磁场干扰，如果能利用声波实现信息处理和逻辑计算，可具有更好的稳定性和安全性，为未来实现抗电磁干扰、安全性高的声学通讯提供基础元器件。如果声逻辑门得以实现，则可运用到各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如：声学计算、声学加密、声学识别等。因此，声逻辑门的研究具有十分重要的学术价值及应用前景。

目前，国内外研究人员主要基于非线性和线性相干两种机制来实现声逻辑功能。

(1)在非线性机制方面，利用具有非线性接触力的球形粒子驱动链，同时结合声波频率带隙的选择机制，可以实现声开关、与门及或门等声逻辑功能。当特定频率的声波入射到连续驱动的球形链时，入射声波与驱动球形链产生的非线性声波会发生相互作用，从而改变声波频率。通过调控非线性声波的频率，原本处于球形链禁带中的入射倏逝波可以转化为传播波，通过球形链，从而设计实现声开关。在此基础上，利用两个频率的入射信号还能实现声逻辑与门和或门。

(2)在线性相干机制方面，基于二维声子晶体中自准直声束，利用两个输入信号之间的线性干涉，提出了一种具有基本功能的逻辑门器件。当只有一束声波入射到声子晶体时，一半的能量被反射，另一半的能量依然沿原方向出射。当两束声波同时入射且入射相位差相差π/2时，反射波与折射波发生相干增强和相干相消，从而实现声逻辑功能。此外，基于近零折射率声超构材料特性，研究人员通过设计蜷曲空间结构实现了声逻辑与门，或门，非门以及复杂逻辑功能。

(3)利用多端口圆形波导结构同样可以实现声逻辑功能。基于线性声相干机制，主动调控两输入信号的声压幅值和相位差，实现了与门、或门、非门等基本声逻辑功能。

传统技术的缺点是：

(1)基于非线性机制设计的声逻辑门，声波工作频率会发生变化；

(2)基于近零折射率声超构材料的逻辑门，结构复杂，且工作频带较窄，甚至为单一频率；

(3)在现有的声逻辑门器件中，都是通过主动调控入射声波的振幅和相位来实现各种逻辑功能，操控复杂，不利于程序控制；

(4)现有的声逻辑门器件，实现不同的声逻辑功能时需要改变不同的结构参数，无法做到在一个器件中实现多种声逻辑功能。

导致传统技术缺陷的原因有：

(1)声波通过球形粒子驱动链，基于非线性机制与带隙选择机制，入射声波会与非线性声波相互作用，因此声波频率会发生改变；

(2)近零折射率声超构材料主要由复杂的卷曲空间结构组成，且近零折射率特性源于单元的F-P共振，从而导致设计的逻辑门结构复杂、工作频带较窄；

(3)声逻辑门的实现主要基于声波的相干机制，因此，主动改变入射声波的相位和振幅可以实现透射波的干涉增强与干涉相消效应。

(4)声波的线性干涉也可以通过改变器件中的结构参数来实现，因此，往往需要改变结构来调整声波的相位和振幅，在一个设计的器件中只能实现一种逻辑功能。

发明内容

针对传统声逻辑门的阈值不统一，工作频带窄；逻辑功能单一；鲁棒性弱等技术难题，本发明提出一种阈值统一，工作频带宽；多种逻辑功能；鲁棒性强的声逻辑门。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门，包括由两种不同旋转角度(±θ)的正三角形构成的声子晶体，即声子晶体I和声子晶体II。2个声子晶体I和2个声子晶体II相互交叉排布形成多边形声逻辑门，在界面处形成四个通道的拓扑波导，所形成的通道具有拓扑谷态传输特性。将声逻辑门浸没在空气中，两个单极点源分别位于端口I₁和I₂，O₁和O₂为输出端口。沿着顺时针方向，端口设置顺序依次为输入端I₁,输出端O₂,输入端I₂,输出端O₁,当两个单极点源相位相同、振幅相等时，在输出端O₁产生干涉增强，而在输出端O₂产生干涉相消；从而在同一结构中，基于同一阈值实现了宽频带或和异或两种逻辑功能。

进一步，声子晶体I是由旋转角度为10°≤θ≤60°的正三角形按三角晶格阵列(晶格常数2.5cm≤a≤3.8cm)排布构成，三角形边长为2cm≤b≤3cm，排布周期为8≤T≤10。

进一步，声子晶体II是由旋转角度为-60°≤θ≤-10°的正三角形按三角晶格阵列(晶格常数2.5cm≤a≤3.8cm)排布构成，正三角形边长为2cm≤b≤3cm，排布周期为8≤T≤10。

进一步地，所述声逻辑门是通过3D打印技术制备而成。

进一步地，所述声逻辑门的材质为有机玻璃、塑料、金属材料中的一种。

进一步地，所述声逻辑门的形状为正六边形和正方形。

进一步地，所述声逻辑门可以在不改变结构参数的情况下，同时实现“或”和“异或”两种声逻辑功能。所述声逻辑门在有弯折时仍能保持原有的声逻辑功能。

进一步地，声子晶体I和II均由正三角形按晶格常数a＝3cm三角晶格阵列组成，阵列中的正三角形边长b＝2.4cm。

本发明的有益效果是：

(1)声逻辑门可以在一个器件中同时实现或与异或功能

本发明所提出的声逻辑门具有四条通道，当输入端口I₁和I₂的输入状态为{1,1}时，不需要改变逻辑门的结构，可以在输出端口O₁和O₂处分别实现或和异或两种基本声逻辑功能。

(2)声逻辑门具有统一阈值和宽频带特性

本发明所提出的声逻辑门均在阈值为15dB下实现声逻辑功能。此外，该逻辑门工作频带较宽，或门的工作带宽为1811Hz，带宽比可达0.3左右；异或门的带宽为1260Hz，带宽比可达0.21左右。

(3)声逻辑门鲁棒性强

本发明所提出的声逻辑门，由于具有拓扑谷态传输特性，因此对弯折、乱序等缺陷免疫，声逻辑运算过程具有较高的鲁棒性。

(4)声逻辑门结构被动式调控声学信号

本发明所提出的声逻辑门，与以前的主动调控入射声源信号不同，利用声波在声子晶体中传播路径的差异来实现干涉增强与干涉相消，进一步实现声逻辑功能，操纵简单，有利于程序控制。

附图说明

图1为本发明所述的浸没在空气中的声逻辑门示意图；

图2为不同输入状态，声波通过声逻辑门对应的(a)声能量密度空间分布及(b)O₁和O₂端的输出能级；

图3为逻辑门工作频带：(a)或逻辑门,(b)异或逻辑门。

图4为不同输入状态，声波通过有弯折的声逻辑门对应的(a)声能量密度空间分布及(b)有弯折与无弯折情况下，或逻辑门工作频带的对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的声逻辑门是一种基于拓扑绝缘体的四通道结构，声逻辑门的形状为正六边形，由声子晶体I和声子晶体II组成。声子晶体I和II分别由旋转角度为±θ的正三角形按三角晶格阵列排布构成。两种不同角度的声子晶体的界面处即为一条通道波导。其中，端口I₁和I₂作为输入端，端口O₁和O₂作为承载不同逻辑功能的输出端。声逻辑门的材质为有机玻璃、塑料、金属材料中的一种，例如环氧树脂、铁、铝、铜等。

为了核实本发明所述声逻辑门器件的逻辑功能，采用有限元方法数值模拟声逻辑性能，模拟过程及结果具体如下：

实施例1

如图1所示，采用有限元数值方法建立浸没在空气中的声逻辑门模型。设计的声子晶体由浸没在空气中的三角形晶格阵列(晶格常数a＝3cm)组成，阵列中的正三角形边长b＝2.4cm,周期数为10个。材料参数分别为：环氧树脂的密度1180kg/m³，纵波速度2720m/s及横波速度1460m/s；空气的密度1.21kg/m³及声速343m/s。声子晶体I和声子晶体II中的三角形旋转角度分别为-30°和30°。

声子晶体II位于顶部和底部，声子晶体I位于左侧和右侧。其中通道I₁和I₂为输入端口，通道O₁和O₂为输出端口。输入声信号为点源入射，初始相位和振幅均相同。输入端口I₁和I₂处的输入状态定义为{Q₁,Q₂}，其中Q_i表示有(编码1)无(编码0)声信号。此外，为了确定输出状态，我们以环境声为参考值，模拟了输出端的声能级。在这里，我们选择一个统一的阈值15dB，当声能级大于15dB时，输出状态为“1”；当声能级小于15dB时，输出状态为“0”。

实施例2

图2为不同输入状态下，声波通过或和异或声逻辑门产生的声能量密度空间分布以及输出端O₁以及O₂的声能级。从图中可以看出，当位于I₁和I₂的两个点源都被激发时，输入逻辑值为{1,1}，基于相位线性干涉机制，输出O₁端的声能级高于阈值，对应输出逻辑值为{1}，而O₂端的声能级低于阈值，对应输出逻辑值为{0}；若只激发单个点源时，对应的输入逻辑值分别为{1,0}和{0,1}，O₁与O₂端对应输出逻辑值均为{1}，因此，O₁端口实现了“或”逻辑功能，O₂端口实现了“异或”逻辑功能。输入信号与输出信号之前的对应关系构成如表格所示的逻辑真值表，符合“或”和“异或”逻辑功能。

图3分别为输出端口O₁和O₂的声能级谱。可以看出，在频率范围4602-5326Hz和5673-6760Hz，声逻辑门可以实现“或”逻辑功能，工作带宽为1811Hz，带宽比可达0.3左右；进一步，在频率范围4911-5389Hz和5580-6362Hz，声逻辑门可以实现“异或”逻辑功能，工作带宽为1260Hz，带宽比可达0.21左右。因此，不改变逻辑门的结构参数，本发明提出的声逻辑门可以同时实现“或”和“异或”两种声逻辑功能，并且具有宽频带特性。

实施例3

图4为声波通过存在弯折缺陷的声逻辑门产生的声能量密度空间分布以及输出端O₁以及O₂的声能级。为了验证所设计的逻辑门的鲁棒性，我们在界面处引入弯折缺陷。图4中的(a)为输入态{1,1}、{1,0}和{0,1}在6.0kHz时逻辑门内的声能量密度场分布。可以看出，这些缺陷对声传输没有影响，输出端口O₁和O₂仍然保持原有的声逻辑功能。此外，我们实验测量了不同输入状态下，逻辑门无弯折和有弯折时的声能级谱。与无弯折逻辑门的结果相比，有弯折的逻辑门几乎没有变化，进一步说明声传输受到了拓扑保护，对缺陷免疫，因此，所设计的声逻辑门具有较高的鲁棒性。

综上，本发明的一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门，包括由两种不同旋转角度(±θ)的三角形构成的声子晶体，即声子晶体I和声子晶体II。相互交叉排布形成正六边形声逻辑门，在界面处形成四个通道的波导，两个端口作为输入端，两个端口作为输出端。所述声逻辑门浸没在空气中，其中声子晶体I和II均由正三角形按晶格常数a＝3cm三角晶格阵列组成，阵列中的正三角形边长b＝2.4cm。两个单极点源分别位于输入端口I₁和I₂，端口O₁和O₂为输出端。当两个单极点源相位相同、振幅相等时，在输出端O₁产生干涉增强，而在输出端O₂产生干涉相消，从而在同一结构中，基于同一阈值实现了宽频带“或”和“异或”两种逻辑功能，并且具有宽频带特性；引入弯折缺陷时，声逻辑门仍能保持其原有的声逻辑功能，具有较强的鲁棒性。所设计的声逻辑门能够用于声学计算、声学加密、声学识别等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门，其特征在于，包括由两种不同旋转角度的小三角形排列构成的声子晶体，即声子晶体I和声子晶体II,声子晶体I和声子晶体II相互交叉排布形成多边形声逻辑门，在界面处形成四个通道的波导，两个端口作为输入端，两个端口作为输出端；沿着顺时针方向，端口设置顺序依次为输入端I₁,输出端O₂,输入端I₂,输出端O₁,所述声逻辑门浸没在空气中,两个单极点源分别位于端口I₁和I₂，当两个单极点源相位相同、振幅相等时，在输出端O₁产生干涉增强，而在输出端O₂产生干涉相消；从而在同一结构中，基于同一阈值实现了宽频带或和异或两种逻辑功能；

声子晶体I是由旋转角度为10°≤θ≤60°的正三角形按三角晶格阵列排布构成，晶格常数2.5cm≤a≤3.8cm，三角形边长为2cm≤b≤3cm，排布周期为8≤T≤10；

进一步，声子晶体II是由旋转角度为-60°≤θ≤-10°的正三角形按三角晶格阵列排布构成，晶格常数2.5cm≤a≤3.8cm，正三角形边长为2cm≤b≤3cm，排布周期为8≤T≤10。

2.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门能够在不改变结构参数的情况下，同时实现“或”和“异或”两种声逻辑功能。

3.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门在有弯折时仍能保持原有的声逻辑功能。

4.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门的材质为有机玻璃、塑料、金属材料中的一种。

5.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门的形状为正六边形和正方形。

6.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，所述声逻辑门是通过3D打印技术制备而成。

7.根据权利要求1所述的声逻辑门，其特征在于，声子晶体I和II均由正三角形按晶格常数a＝3cm三角晶格阵列组成，阵列中的正三角形边长b＝2.4cm。