CN114011693B - 一种横向反对称弹性波激发装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向反对称弹性波激发装置，该装置包括压电振动组件、连接固定件以及压电振动组件的接线组，所述的压电振动组件包括相同的两片压电驻极体薄膜，分别为短边对齐排列的第一压电驻极体薄膜和第二压电驻极体薄膜，所述的连接固定件用以将压电振动组件固定至结构表面，并保证压电驻极体薄膜与结构表面之间绝缘，所述的第一压电驻极体薄膜和第二压电驻极体薄膜通过接线组分别接入外部提供的有相位差π的激励电压信号，用以将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发，与现有技术相比，本发明具有结构简单、制备方便以及填补目前没有横向反对称弹性波激发装置的空白等优点。
Description
技术领域
本发明涉及功能器件及弹性波波源产生装置领域，尤其是涉及一种横向反对称弹性波激发装置及制备方法。
背景技术
对称性一般是指在某方向的镜像关系上结构、性质等相同，在数学上则可以看成“变换下的不变性”。在物理学中，物理定律的对称性也意味着物理定律在各种变换条件下的不变性，因此在任意参考系变换操作下，物理规律都能保持不变。对称性在学术研究中占据了重要的位置，如科学界在1956年前一直认为宇称守恒，后来杨振宁教授与李政道教授共同提出了“弱相互作用中宇称不守恒”定律，至此研究人员开始关注了对称与不对称的研究。
与此同时，对称与反对称是自然界中广泛存在的重要性质，一方面它们在诸多物理现象中发挥了重要作用，另一方面也丰富了可以调控的自由度，近年来，经典波体系中超构材料和拓扑结构的研究中，更是发现了大量与横向对称和反对称相关的性质，如两种拓扑反相的声子晶体组成的拓扑边界在与外部弹性波波源耦合时，对波源的横向对称与横向反对称性有一定的选择特性。其中，某些拓扑边界只能与横向对称的外部弹性波耦合；还有一些又只能与横向反对称的外部弹性波耦合；而另外还有一些则既能与横向对称又能与横向反对称弹性波耦合，但其耦合效率可能不同。调节外部弹性波源的横向对称与反对称性，能够调节弹性波能否通过拓扑边界等形成的波导传播以及通过能量的多少，因此横向对称和反对称弹性波波源的实现对相关研究和应用具有巨大价值，然而目前的实验报道中，使用的仅为横向对称弹性波源或点源，而反对称弹性波则未见相关报道，这为多功能器件的设计和实验验证带来了极大困难。
因此，当前亟需提供一种横向反对称弹性波激发装置，为横向对称与反对称弹性波源相关的实验研究提供关键依据。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种横向反对称弹性波激发装置及制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种横向反对称弹性波激发装置，该装置包括压电振动组件、连接固定件(3)以及压电振动组件的接线组，所述的压电振动组件包括相同的两片压电驻极体薄膜，分别为短边对齐排列的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)，所述的连接固定件(3)用以将压电振动组件固定至结构表面，并保证压电驻极体薄膜与结构表面之间绝缘，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)通过接线组分别接入外部提供的有相位差π的激励电压信号，用以将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件(3)传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发。
所述的第一压电驻极体薄膜(1)与第二压电驻极体薄膜(2)材料相同、尺寸相同、极化方向相同以及加工工艺相同，安装时两片压电驻极体薄膜的极化方向保持一致，且两片压电驻极体薄膜之间存在间隙，以保证两片压电驻极体薄膜之间绝缘。
所述的连接固定件(3)设置在压电振动组件和结构表面之间，用以连接压电振动组件和结构表面，实现压电振动组件与结构表面之间的绝缘以及第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)之间的绝缘。
所述的连接固定件(3)为两条高强度绝缘双面胶带，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)分别固定在两条高强度绝缘双面胶带上。
所述的连接固定件(3)为一条高强度绝缘双面胶带，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)均固定在该高强度绝缘双面胶带上。
所述的压电振动组件的接线组包括与第一导线(4)、第二导线(5)、第三导线(6)和第四导线(7)，所述的第一导线(4)和第二导线(5)固定在第二压电驻极体薄膜(2)的下表面和第一压电驻极体薄膜(1)的下表面，即第一导线(4)和第二导线(5)固定在压电振动组件和连接固定件(3)之间，所述的第三导线(6)和第四导线(7)分别固定在第二压电驻极体薄膜(2)的上表面和第一压电驻极体薄膜(1)的上表面。
所述的第一导线(4)和第四导线(7)连接的激励电压信号的极性与第二导线(5)和第三导线(6)连接的激励电压信号的极性相反。
所述的第一导线(4)和第三导线(6)连接的激励电压信号与第二导线(5)和第四导线(7)连接的激励电压信号相差π相位。
该装置还包括安装底座(8)，用以将压电振动组件、连接固定件(3)和接线组设置在安装底座(8)上。
一种横向反对称弹性波激发装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：为保证两片压电驻极体薄膜形状、尺寸和性质相同，将一片长压电驻极体薄膜从中间横向剪开，形成第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)；
步骤2：将能够覆盖两片压电驻极体薄膜的高强度绝缘双面胶粘固定于结构表面，在第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)设置在高强度绝缘双面胶带的位置处分别固定第二导线(5)和第一导线(4)，所有的导线与压电驻极体薄膜的接触面为扁面平且比压电驻极体薄膜的面积小；
步骤3：检查导线与导线以及每根导线与结构表面之间是否绝缘，若是则执行步骤4，若否，则返回步骤2；
步骤4：分别将两片压电驻极体薄膜固定在高强度绝缘双面胶带的上表面，调整第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的位置，使两片压电驻极体薄膜按短边对齐排列，并保证两片压电驻极体薄膜之间存在间隙；
步骤5：检查每片压电驻极体薄膜的下表面与其连接的导线是否导通，若是，则执行步骤6，若否，则返回步骤4；
步骤6：检查导线与导线之间、导线与结构表面之间、第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的下表面与结构表面之间是否绝缘，若否，则进行调整，直至绝缘；
步骤7：在第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的上表面分别固定第四导线(7)和第三导线(6)；
步骤8：将第一导线(4)和第四导线(7)与激励电压信号的正极连接，将第二导线(5)和第三导线(6)与激励电压信号的负极连接，即第一压电驻极体薄膜(1)的上表面与激励电压信号的正极连接，下表面与激励电压信号的负极连接，第二压电驻极体薄膜(2)的上表面与激励电压信号的负极，下表面与激励电压信号的正极连接；
步骤9：外部提供的与第一压电驻极体薄膜(1)连接的激励电压信号和与第二压电驻极体薄膜(2)连接的激励电压信号相差π相位，压电振动组件将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件(3)传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明填补了目前市面上没有横向反对称弹性波激发装置的空白，能够为相关研究提供实验依据；
2)本发明设计的横向反对称弹性波激发装置，可以进行封装，形成可拆卸、便携的装置；
3)且本发明所采用的材料均可通过定制购买得到，结构简单且制备方便。
附图说明
图1为压电振动组件的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为带有安装底座的结构示意图。
图4为五周期正弦波脉冲激励电压信号示意图。
图5为本发明激发横向反对称弹性波的效果图。
图中标号为：
1、第一压电驻极体薄膜，2、第二压电驻极体薄膜，3、连接固定件，4、第一导线，5、第二导线，6、第三导线，7、第四导线，8、安装底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种横向反对称弹性波激发装置，该装置包括压电振动组件、连接固定件3、压电振动组件的接线组以及安装底座8。
如图1所示，压电振动组件包括第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2，为保证第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2材料相同、尺寸相同、极化方向相同以及加工工艺制备相同，由同一片压电驻极体薄膜从中间横向剪切开，且第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2按短边对齐排列，压电驻极体薄膜采用辐照交联聚丙烯压电驻极体薄膜，第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的尺寸为：宽度10毫米，长度30毫米，厚度70微米，第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2之间的距离为0.5毫米。
连接固定件3为高强度绝缘双面胶带，用以固定压电驻极体薄膜到结构表面，并保证压电驻极体薄膜与结构表面之间的绝缘，两片压电驻极体薄膜下面的两个连接固定件3之间可以没有间隙，即两条高强度绝缘双面胶带之间可以连成一片。
如图2或图3所示，压电振动组件的接线组包括与第一导线4、第二导线5、第三导线6和第四导线7，第一导线4和第二导线5分别与第二压电驻极体薄膜2的下表面和第一压电驻极体薄膜1的下表面连接，第三导线6和第四导线7分别与第二压电驻极体薄膜2的上表面和第一压电驻极体薄膜1的上表面连接，第一导线4和第四导线7均接入激励电压信号的正极，与第一压电驻极体薄膜1连接的导线和与第二压电驻极体薄膜2连接的导线正负极相反，第二导线5和第三导线6均接入激励电压信号的负极(或正极)，第一导线4和第四导线7均接入激励电压信号的正极(或负极)，即第一压电驻极体薄膜1的上表面连接激励电压信号的正极(或负极)，下表面连接激励电压信号的负极(或正极)，第二压电驻极体薄膜2的上表面连接激励电压信号的负极(或正极)，下表面连接激励电压信号的正极(或负极)。
如图4所示的频率f等于60千赫兹时的五周期正弦波脉冲激励电压信号示意图，激励电压信号采用多周期正弦波形式的电压信号，其中在正弦波部分为V＝V0sin(2πft)，式中的f为频率，t为时间，因此实际施加在第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2上的激励电压信号相差π相位。
如图2或图3所示，当第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2产生机械振动时，机械振动经由连接固定件3传递至结构表面，产生反对称弹性波。
本发明还提供了实现横向反对称弹性波激发装置的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：为保证两片压电驻极体薄膜形状、尺寸和性质等相同，将一片长压电驻极体薄膜从中间横向剪开，形成第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2；
步骤2：将面积能够覆盖两片第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的高强度绝缘双面胶粘固定于结构表面，在第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2安装在高强度绝缘双面胶带的位置处分别固定第二导线5和第一导线4，所有导线与压电驻极体薄膜的接触面扁平且相对于压电驻极体薄膜的面积较小；
步骤3：检查导线与导线以及每根导线与结构表面之间是否绝缘，若是则执行步骤4，若否则返回步骤2，以保证绝缘；
步骤4：将两片压电驻极体薄膜固定于高强度绝缘双面胶带上，调整第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的位置，使两片压电驻极体薄膜按短边对齐，并保证两片压电驻极体薄膜之间的间隙存在；
步骤5：检查每根导线与压电驻极体薄膜的下表面是否导通，若是，则执行步骤6，若否，则返回步骤4，以保证导线与电极的连通；
步骤6：检查导线与导线、导线与结构表面、第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的下表面与结构表面之间是否绝缘；
步骤7：在高强度绝缘双面胶带的第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的上表面分别固定第四导线7和第三导线6；
步骤8：将第一导线4和第四导线7与激励电压信号的正极连接，将第二导线5和第三导线6与激励电压信号的负极连接，即第一压电驻极体薄膜1的上表面与激励电压信号的正极连接，下表面与激励电压信号的负极连接，第二压电驻极体薄膜2的上表面与激励电压信号的负极，下表面与激励电压信号的正极连接；
步骤9：外部提供的与第一压电驻极体薄膜1连接的激励电压信号和与第二压电驻极体薄膜2连接的激励电压信号相差π相位，压电振动组件将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件3传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发。
如图5为本实施例装置的效果图，展示了一个实例的面外位移场分布，结果呈现出关于中心线横向反对称的分布，第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2的尺寸均为10毫米宽，30毫米长，70微米厚，第一压电驻极体薄膜1和第二压电驻极体薄膜2之间的缝隙宽度为0.5毫米，施加外部提供的频率f等于60千赫兹的激励电压信号时，在薄铝板表面产生弹性波的面外位移场分布，面外位移场清晰呈现出关于中心线横向反对称的分布特征。
以上，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种横向反对称弹性波激发装置，其特征在于，该装置包括压电振动组件、连接固定件(3)以及压电振动组件的接线组，所述的压电振动组件包括相同的两片压电驻极体薄膜，分别为短边对齐排列的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)，所述的连接固定件(3)用以将压电振动组件固定至结构表面，并保证压电驻极体薄膜与结构表面之间绝缘，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)通过接线组分别接入外部提供的有相位差π的激励电压信号，用以将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件(3)传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发，所述的第一压电驻极体薄膜(1)与第二压电驻极体薄膜(2)材料相同、尺寸相同、极化方向相同以及加工工艺相同，安装时两片压电驻极体薄膜的极化方向保持一致，且两片压电驻极体薄膜之间存在间隙，以保证两片压电驻极体薄膜之间绝缘，所述的压电振动组件的接线组包括与第一导线(4)、第二导线(5)、第三导线(6)和第四导线(7)，所述的第一导线(4)和第二导线(5)固定在第二压电驻极体薄膜(2)的下表面和第一压电驻极体薄膜(1)的下表面，即第一导线(4)和第二导线(5)固定在压电振动组件和连接固定件(3)之间，所述的第三导线(6)和第四导线(7)分别固定在第二压电驻极体薄膜(2)的上表面和第一压电驻极体薄膜(1)的上表面，所述的第一导线(4)和第四导线(7)连接的激励电压信号的极性与第二导线(5)和第三导线(6)连接的激励电压信号的极性相反，所述的第一导线(4)和第三导线(6)连接的激励电压信号与第二导线(5)和第四导线(7)连接的激励电压信号相差π相位。
2.根据权利要求1所述的一种横向反对称弹性波激发装置，其特征在于，所述的连接固定件(3)设置在压电振动组件和结构表面之间，用以连接压电振动组件和结构表面，实现压电振动组件与结构表面之间的绝缘以及第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)之间的绝缘。
3.根据权利要求2所述的一种横向反对称弹性波激发装置，其特征在于，所述的连接固定件(3)为两条高强度绝缘双面胶带，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)分别固定在两条高强度绝缘双面胶带上。
4.根据权利要求2所述的一种横向反对称弹性波激发装置，其特征在于，所述的连接固定件(3)为一条高强度绝缘双面胶带，所述的第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)均固定在该高强度绝缘双面胶带上。
5.根据权利要求1所述的一种横向反对称弹性波激发装置，其特征在于，该装置还包括安装底座(8)，用以将压电振动组件、连接固定件(3)和接线组设置在安装底座(8)上。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的横向反对称弹性波激发装置的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：为保证两片压电驻极体薄膜形状、尺寸和性质相同，将一片长压电驻极体薄膜从中间横向剪开，形成第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)；
步骤2：将能够覆盖两片压电驻极体薄膜的高强度绝缘双面胶粘固定于结构表面，在第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)设置在高强度绝缘双面胶带的位置处分别固定第二导线(5)和第一导线(4)，所有的导线与压电驻极体薄膜的接触面为扁面平且比压电驻极体薄膜的面积小；
步骤3：检查导线与导线以及每根导线与结构表面之间是否绝缘，若是则执行步骤4，若否，则返回步骤2；
步骤4：分别将两片压电驻极体薄膜固定在高强度绝缘双面胶带的上表面，调整第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的位置，使两片压电驻极体薄膜按短边对齐排列，并保证两片压电驻极体薄膜之间存在间隙；
步骤5：检查每片压电驻极体薄膜的下表面与其连接的导线是否导通，若是，则执行步骤6，若否，则返回步骤4；
步骤6：检查导线与导线之间、导线与结构表面之间、第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的下表面与结构表面之间是否绝缘，若否，则进行调整，直至绝缘；
步骤7：在第一压电驻极体薄膜(1)和第二压电驻极体薄膜(2)的上表面分别固定第四导线(7)和第三导线(6)；
步骤8：将第一导线(4)和第四导线(7)与激励电压信号的正极连接，将第二导线(5)和第三导线(6)与激励电压信号的负极连接，即第一压电驻极体薄膜(1)的上表面与激励电压信号的正极连接，下表面与激励电压信号的负极连接，第二压电驻极体薄膜(2)的上表面与激励电压信号的负极，下表面与激励电压信号的正极连接；
步骤9：外部提供的与第一压电驻极体薄膜(1)连接的激励电压信号和与第二压电驻极体薄膜(2)连接的激励电压信号相差π相位，压电振动组件将激励电压信号转化为机械振动，并经过连接固定件(3)传导至结构表面，完成横向反对称弹性波的激发。
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