CN113284479B - 一种基于变形散射体可调带隙的声子晶体及调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于变形散射体的声子晶体，声子晶体的原胞包括散射体和流体基体，散射体呈圆环形，散射体由内而外依次为支撑层和包覆层，支撑层由硬金属制成，包覆层由形状记忆合金制成；散射体周围填充流体基体；支撑层设有加热装置，加热装置通过导线与电源连接。本发明利用了形状记忆合金的形状记忆效应，在马氏体相变及其逆相变中形状和杨氏模量的变化对声子晶体能带结构进行调节。本发明调节方法具有调节带宽、调节方式简单的特点，同时可进行声子晶体缺陷态的动态设计。
Description
技术领域
本发明涉及声子晶体领域，具体涉及一种基于变形散射体可调带隙的声子晶体及调节方法。
背景技术
声子晶体是一种周期性排列结构的复合材料，其最大特点在于它的可设计性,在声子晶体设计时，一般是通过计算后选取相应的组成材料和结构参数。然而，当构成声子晶体的材料和声子晶体的结构确定了之后，声子晶体的带隙也就随之确定了。面对目前复杂的工程应用环境，声子晶体带隙的确定性已不能满足工程实际需求，所以探究带隙可调控的声子晶体的研究具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于变形散射体的声子晶体能带结构调节方法，克服已有声子晶体的无法调节能带结构、调节带隙范围窄、无法动态添加缺陷的不足。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于变形散射体的声子晶体，声子晶体的原胞包括散射体和流体基体，散射体呈圆环形，散射体由内而外依次为支撑层和包覆层，支撑层由硬金属制成，包覆层由形状记忆合金制成；散射体周围填充流体基体；支撑层设有加热装置，加热装置通过导线与电源连接。
优选地，包覆层均分为四个部分，以圆环为360°计，每部分占90°；每部分包覆层一端固定在支撑层上，另一端自由。所述支撑层为无缝圆环结构，不随包覆层的形变而形变。
形状记忆合金的形状记忆效应通过加热的方式响应，在马氏体状态时，为形状记忆合金散射体包覆层包覆在硬金属散射体支撑层上，在奥氏体状态时，为形状记忆合金散射体包覆层自由端伸直固定端不动的平直结构。形状记忆合金散射体包覆层的热量通过硬金属散射体支撑层传递，这样可以使得形状记忆合金散射体包覆层均匀受热。
优选地，所述流体基体为气体或液体，所述液体为水或甲醇。流体基体的选取可以为空气、水、甲醇等与散射体声阻抗相差较大、流动性好的流体材料。基体的选取与散射体的密度、杨氏模量、声阻抗等参数相差越大，越容易出现带隙。
优选地，所述形状记忆合金为双程形状记忆合金。
优选地，所述声子晶体为二维流/固型声子晶体，其晶格单元排列结构为正方形、长方形或六角形。
优选地，所述声子晶体的原胞排列至少为四个周期，排布方式根据实际需要设计。
优选地，所述支撑层和包覆层为薄片式结构。
优选地，所述声子晶体的填充率为其中r1为包覆层外径，r2为支撑层内径，a为声子晶体原胞结构的晶格常数。
本发明还提供一种基于变形散射体的声子晶体带隙调节方法，通过加热装置改变包覆层的温度调节上述声子晶体的带隙，具体为：
加热支撑层，同时包覆层受热，
包覆层温度达到As时，形状记忆合金开始奥氏体相变，
包覆层温度达到Af时，形状记忆合金结束奥氏体相变，形状记忆合金处于奥氏体状态，包覆层自由端伸直，包覆层为伸直的平直结构，其杨氏模量发生相应的变化；
停止加热，散射体降温，所述散射体在降温过程中，包覆层的形状和杨氏模量会发生相反的变化。
优选地，包覆层形状和杨氏模量的变化根据具体需要的完美周期或点缺陷、线缺陷而定。
声子晶体带隙的调节通过形状记忆合金散射体包覆层杨氏模量的变化和形状记忆效应变形实现。声子晶体模型点缺陷、线缺点的添加可以针对其中某个/行/列进行马氏体/奥氏体状态的改变实现。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用了形状记忆合金的形状记忆效应，在马氏体相变及其逆相变中形状和杨氏模量的变化对声子晶体能带结构进行调节。
2、本发明调节方法具有调节带隙范围宽、调节方式简单的特点，同时可进行声子晶体缺陷态的动态设计。
3、利用本发明能带结构可调的声子晶体设计的可调频的声滤波器、声谐振器等电子元件，可以实现动态控制声波传播的功能。
4、本发明在二维声子晶体中的点缺陷、线缺陷的人为制造，为声子晶体结构添加禁带和导波通道，从而达到控制声波传播的目的，动态的缺陷态设置对可调频的声滤波器、声谐振器等电子元件的设计具有重要的意义，从而达到动态控制声波传播的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1本发明二维声子晶体包覆式结构模型示意图。
图2本发明二维声子晶体平直式结构模型示意图。
图3本发明二维声子晶体包覆式结构模型的能带结构图。
图4本发明二维声子晶体平直式结构模型的能带结构图。
具体实施例
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
参考图1-2所示，本实施例提供一种基于变形散射体的声子晶体，声子晶体的原胞包括散射体和流体基体，散射体呈圆环形，散射体由内而外依次为支撑层1和包覆层2，支撑层1由硬金属制成，包覆层2由形状记忆合金制成；散射体周围填充流体基体3；支撑层1设有加热装置，加热装置通过导线与电源连接。
散射体包覆层2均分为四个部分，以圆环为360°计，每部分占90°；每部分包覆层一端固定在硬金属散射体支撑层1上，另一端自由。
形状记忆合金的形状记忆效应通过加热的方式响应，在马氏体状态时，为形状记忆合金散射体包覆层2包覆在硬金属散射体支撑层1上，在奥氏体状态时，为形状记忆合金散射体包覆层2自由端伸直固定端不动的平直结构。形状记忆合金散射体包覆层2的热量通过硬金属散射体支撑层1传递，这样可以使得形状记忆合金散射体包覆层2均匀受热。
所述散射体支撑层1为无缝圆环结构，不随包覆层2的形变而形变。
所述流体基体3为气体或液体，所述液体为水或甲醇。流体基体3的选取可以为空气、水、甲醇等与散射体声阻抗相差较大、流动性好的流体材料。基体的选取与散射体的密度、杨氏模量、声阻抗等参数相差越大，越容易出现带隙。
所述形状记忆合金为双程形状记忆合金。
所述声子晶体为二维流/固型声子晶体，其晶格单元排列结构为正方形、长方形或六角形。
所述声子晶体的原胞结构个数至少为四个周期，排布方式根据实际需要设计。
所述散射体支撑层1和包覆层2为薄片式结构。
所述声子晶体的填充率为其中r1为散射体包覆层2外径，r2为散射体支撑层1内径，a为声子晶体原胞结构的晶格常数。
实施例2：
本实施例提供提供一种基于变形散射体的声子晶体带隙调节方法，通过加热装置改变散射体包覆层2的温度调节上述声子晶体的带隙，具体为：
加热支撑层1，同时包覆层2受热，
包覆层2温度达到As时，形状记忆合金开始奥氏体相变，
包覆层2温度达到Af时，形状记忆合金结束奥氏体相变，形状记忆合金处于奥氏体状态，包覆层2自由端伸直，包覆层2为伸直的平直结构，其杨氏模量发生相应的变化；
停止加热，散射体降温，所述散射体在降温过程中，包覆层2的形状和杨氏模量会发生相反的变化。
所述形状记忆合金散射体包覆层2形状和杨氏模量的变化根据具体需要的完美周期或点缺陷、线缺陷而定。
声子晶体带隙的调节通过形状记忆合金散射体包覆层2杨氏模量的变化和形状记忆效应变形实现。声子晶体模型点缺陷、线缺点的添加可以针对其中某个/行/列进行马氏体/奥氏体状态的改变实现。
参照图1和图3，二维声子晶体包覆式结构模型示意图和其对应的二维声子晶体包覆式结构模型的能带结构图。
参照图2和图4，二维声子晶体平直式结构模型示意图和其对应的二维声子晶体平直式结构模型的能带结构图。
声子晶体结构模型在不同状态的形状记忆合金散射体包覆层2下，有不同的带隙结构，并且其在平直式结构模型中出现了更多更宽的全带隙，因此声子晶体的能带结构图能够在本模型下进行有效的调节。
本发明利用了形状记忆合金的形状记忆效应，在马氏体相变及其逆相变中形状和杨氏模量的变化对声子晶体能带结构进行调节。本发明在二维声子晶体中的点缺陷、线缺陷的人为制造，为声子晶体结构添加禁带和导波通道，从而达到控制声波传播的目的，动态的缺陷态设置对可调频的声滤波器、声谐振器等电子元件的设计具有重要的意义，从而达到动态控制声波传播的目的。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，声子晶体的原胞包括散射体和流体基体，散射体呈圆环形，散射体由内而外依次为支撑层和包覆层，支撑层由硬金属制成，包覆层由形状记忆合金制成；散射体周围填充流体基体；支撑层设有加热装置，加热装置通过导线与电源连接；
包覆层均分为四个部分，以圆环为360°计，每部分占90°；每部分包覆层一端固定于支撑层，另一端自由。
2.根据权利要求1所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述流体基体为气体或液体，所述液体为水或甲醇。
3.根据权利要求1所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述形状记忆合金为双程形状记忆合金。
4.根据权利要求1所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述声子晶体为二维流/固型声子晶体，其晶格排列方式为正方形、长方形或六角形。
5.根据权利要求4所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述声子晶体的原胞排列至少为四个周期。
6.根据权利要求1所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述支撑层和包覆层为薄片式结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于变形散射体的声子晶体，其特征在于，所述声子晶体的填充率为0.157。
8.一种基于变形散射体的声子晶体带隙调节的方法，其特征在于，通过加热装置改变包覆层的温度调节权利要求1-7任一项所述声子晶体的带隙，具体为：
加热支撑层，同时包覆层受热，
包覆层温度达到As时，形状记忆合金开始奥氏体相变，
包覆层温度达到Af时，形状记忆合金结束奥氏体相变，形状记忆合金处于奥氏体状态，
包覆层自由端伸直，包覆层为伸直的平直结构，其杨氏模量发生相应的变化；
停止加热，散射体降温，所述散射体在降温过程中，包覆层的形状和杨氏模量会发生相反的变化。
9.根据权利要求8所述的一种基于变形散射体的声子晶体带隙调节的方法，其特征在于，包覆层形状和杨氏模量的变化根据具体需要的完美周期或点缺陷、线缺陷而定。
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