CN113300688A - 一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体声通信技术领域，公开了一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，包括介质为空气的基体和介质为声学刚性材料的散射体，利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，因为声子晶体原胞结构保持着C6对称性，因此在布里渊区K点同时存在两个线性的狄拉克简并点，利用商业仿真软件得到二维蜂窝状声子晶体的能带结构，调整声子晶体中的对称性，获得能带中的极值点—谷，作为信息的载体，再组合两种不同拓扑态的声子晶体波导结构，实现具有抑制背向散射以及单向传输特性的边界态，利用边界态的单向性实现了双频段的声波分束器器件。本发明成本低，易于制得，具有抑制声波背向散射特性和较好的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及流体声通信技术领域，尤其涉及一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件。
背景技术
近些年，声通信、声学探测在特殊场合下需求强劲、发展迅猛，但也带来一些掣肘：声波通信器件中传统的声学材料特性限制了调控声波的方式。现如今拓扑材料在声学集成器件中的应用取得了巨大的发展，也成为众多研究者的聚焦点。其主要得益于拓扑材料中多样的色散关系以及奇异特性，通过有目的的设计人工晶体—声子晶体的能带结构，实现了声波在声子晶体中高局域、宽带、多频段以及低损耗的能量传播，无疑在生产制造还是基础研究等方面都拥有更多方式调控声波。
电子系统中量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、以及量子谷霍尔效应的发现打开了物质拓扑相的大门。其中谷定义为动量空间中能量的极值点，谷自由度和电子自旋自由度具有类似特点，一般也称其为赝自旋。谷自由度(Valley degree of freedom)作为一种新的信息载体，引入声子晶体后，在拓扑保护界面声波传输方面得到了长足的发展。它一般被发现于常规半导体材料、二维晶体材料(石墨烯、二硫化钼)等。研究人员使用谷自由度进行相关的信息传输、处理等任务具备能耗低、处理信息具备速度快、信息传输距离远且器件集成度高等优势。
目前，在声谷霍尔拓扑绝缘体的研究领域中，大多数研究人员只关注一个工作频带，限制多频带通信和其他多功能应用场景。因此，采用一种结构简单、集成度高和易于制备的方法来实现双波段声波分束器件是具有重要意义的。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件。
本发明提出的一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，包括介质为空气的基体和介质为声学刚性材料的散射体，利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，因为声子晶体原胞结构保持着C6对称性，因此在布里渊区K点同时存在两个线性的狄拉克简并点，利用商业仿真软件得到二维蜂窝状声子晶体的能带结构，调整声子晶体中的对称性，获得能带中的极值点—谷，作为信息的载体，再组合两种不同拓扑态的声子晶体波导结构，实现具有抑制背向散射以及单向传输特性的边界态，得到双频段的声波分束器器件。
优选地，利用人工声子晶体结构在高对称点K处存在两对简并态，打破能带简并得到能带中的谷自由度，调控双频段的声波拓扑谷传输。
优选地，所述商业仿真软件采用有限元分析软件操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，其类石墨的声子晶体结构是由空气孔来对应石墨烯中的原子，因为晶格保持着C6对称性，所以可以同时存在两对简并的狄拉克点，另外通过对称性的调节，可实现能带结构的翻转；
2、以谷自由度作为信息的载体，从单一的工作频段提升至双波段，实现了流体域中的双频段的声波分束功能；
3、根据体边对应关系，在两种相反拓扑晶体构成的波导中，能够实现双频段的拓扑声谷输运，同时也能够观察到能流具有赝自旋的特征，以及利用边界态的单向传输性实现了双频段的声波分束器。
本发明结构设计简单，易于制备，成本低，为流体环境下多波段声通信的发展以及其他多功能应用场景提供了重要的理论基础。
附图说明
图1是声子晶体结构的设计图；
图2是声子晶体结构的能带图和坡印廷矢量图；
图3是超原胞激发边界态的声压场分布图；
图4是验证边界态鲁棒性的声压场结果示意图；
图5是双频段分束器声压场结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例
参照图1，一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，主要由空气和声学声刚性材料构成，基底材料为空气，阴影区域的材料为有机玻璃(PMMA)。本发明研究了基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件。
双频段声波分束器件参数优化及仿真测试：
(1)确定和优化单元结构尺寸参数。相同面积的圆形空气孔通过波导连接形成类石墨烯的六边形蜂窝晶格，a＝40√3mm为晶格常数，r为圆形半径，d＝2√3mm为波导宽度。声子晶体的单元格内的黑色区域使用了有机玻璃(PMMA)材料，空气背景中声速设置为c0＝343m·s-1，质量密度设置为p0＝1.21kg·m-3。通过操控相邻原子的半径来实现能带反转和拓扑相变。
(2)计算双频段的能带结构和谷陈数。图2(a)分别是简并和简并打开的能带结构图，当rA＝rB＝16mm时，单胞晶格具有C6对称性，利用有限元分析软件仿真，在布里渊区的高对称点K点处有两对相互分离的线性狄拉克锥，其狄拉克点频率分别为2336Hz和6830.4Hz。当通过改变原子的半径，使rA＝18mm和rB＝14mm的半径不相同时，破坏了单元格的空间反转对称性，单胞从C6点群对称降为C3点群对称，两对简并的狄拉克锥被同时打破，分离的带隙频率范围分别是2.15kHz-2.54kHz和6.43kHz-7.17kHz。分离的4条能带在k点附近的谷陈数由系统的哈密顿量计算：
δk＝(δkx,δky)＝k-kK, (2)
表达式前一项为无微扰的哈密顿量，而后一项为对称性破缺的微扰。(1)表达式中的vD可表示为保持C6对称性时的狄拉克速度，δk表式位于动量空间中远离K点时的动量，σi为泡利矩阵，其中i为公式中的x、y、z，等效质量m被定义为
ωq(P)表达赝自旋的特征频率，所以可以用m来表示相反的谷霍尔相。
谷陈数相关的贝里曲率可以写成：
由于破坏对称性产生的微扰m，贝利曲率能够在布里渊区的K(K’)点附近达到一个强的峰值，对围绕在K点的布里渊区做积分运算，获得如下的谷陈数C。即谷陈数为：
可知m<0，K处的谷陈数C值为-1/2，在时间反演对称性操作下，K’谷陈数为1/2。若m>0，结果相反。
图2(b)是相反的K和K’谷处的坡印廷矢量，这类声涡旋可类比于电子系统中的自旋，被称为赝自旋，只有顺时针和逆时针两个手性的旋转方向。分别将顺时针旋转的坡印廷矢量定义为右旋圆极化轨道角动量(RCP:right circular polarized orbital angularmomentum)和逆时针旋转的坡印廷矢量为左旋圆极化轨道角动量(LCP:left circularpolarized orbital angular momentum)。
(3)谷投影边界态的计算。图3展示了两个相反的谷霍尔相(△r相反)的声子晶体构成的超原胞结构，畴壁为之字(Zigzag)型，从图中可知，在分离的两个带隙频率处，分别出现了一条连接上下体态的无能隙边界态。需要指出的是在畴壁上诱导产生的边界态的传播速度相同但传播方向相反，这是因为谷陈数差△C符号相反。并且边界态的声压场主要都集中分布在超原胞的畴壁上。
(4)验证边界态抑制背向散射以及抗缺陷的鲁棒性。图4展示了拓扑边界态最关键的特性：在波导界面处边界态抗缺陷、急弯的鲁棒性结果。同时探测了出射端和入射端声压，得出声波通过波导后的透射谱。如图(g、h)，在边界态频率范围内，声波透射接近100％，而普通的波导结构中没有产生边界态，声波在其中衰减很大。
(5)双波段的声波分束器。图5利用边界态的单向传输特性，将两种相反拓扑特性的声子晶体结构构成了19*21的有限结构，声波分别从1和4端口入射，1(4)端口入射，声波从2和3端口出射，而无法通过4(1)端口，基于有限元分析软件仿真模拟出了双频段声波分束器的声压场如图5(b-e)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，包括介质为空气的基体和介质为声学刚性材料的散射体，其特征在于，利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，因为声子晶体原胞结构保持着C6对称性，因此在布里渊区K点同时存在两个线性的狄拉克简并点，利用商业仿真软件得到二维蜂窝状声子晶体的能带结构，调整声子晶体中的对称性，获得能带中的极值点—谷，作为信息的载体，再组合两种不同拓扑态的声子晶体波导结构，实现具有抑制背向散射以及单向传输特性的边界态，得到双频段的声波分束器器件。
2.根据权利要求1所述的一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，其特征在于，利用人工声子晶体结构在高对称点K处存在两对简并态，打破能带简并得到能带中的谷自由度，调控双频段的声波拓扑谷传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，其特征在于，所述商业仿真软件采用有限元分析软件操作。
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