CN209928973U

CN209928973U - 一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板

Info

Publication number: CN209928973U
Application number: CN201920557572.8U
Authority: CN
Inventors: 万水; 周鹏; 年玉泽; 王潇; 李夏元; 程红光; 苏强; 朱营博; 徐皓甜
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2029-04-23

Abstract

本实用新型涉及一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，包括固体板基体，以及按照周期性排列嵌入在所述基体中m行n列的散射体；板基体和嵌入的散射体共同构成声学或弹性波超材料，具有负折射特性。散射体根据有无包裹层，分为二组元形式和三组元形式。同一行的散射体大小完全相同，在列方向上，当二组元时，散射体的半径或者边长按照某一函数规律逐渐变化；当三组元时，包裹层不变而逐渐变化内散射体大小，或者内散射体大小不变而逐渐变化包裹层厚度。这样形成的周期结构板是具有梯度折射率的。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

一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板

技术领域

本实用新型涉及一种周期结构,特别是涉及一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板。

背景技术

周期结构,又称声子晶体,声子晶体的概念由光子晶体衍生而来,在声子晶体中,弹性常数和密度不同的材料周期的进行排列,相互之间连通的材料称为基体,不连通的材料称为散射体。按周期结构的维数,声子晶体可分为一维、二维和三维晶体,其中,一维声子晶体一般为层状结构,两种材料均不连通,其散射体与基体无法严格区分。对于二维声子晶体,散射体在两个方向周期排列,三维声子晶体则散射体在三个方向均呈周期排列。

超材料可以具有负的等效材料参数，如负的等效质量密度、负的等效体积模量、负的等效剪切模量等，也可以具有特殊的各向异性。波的相速度在传播时都满足正折射规律。然而经过设计之后，在左手介质(如双负超材料)中，波的群速度方向与相速度方向不同。在一些特定的频率范围内，群速度方向与相速度方向分别位于法线的两侧。由于群速度方向代表波能量的传播方向，因此便会产生负折射的异常现象。

梯度折射率声子晶体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填充率的方法，具体为通过逐渐调整每一层的散射体半径来逐渐改变填充率。通过逐渐改变散射体半径，使特定频率的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：本实用新型的目的是提供一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，通过周期性布置散射体，并沿着列方向逐渐改变散射体半径，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：本实用新型是一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，该嵌入型周期结构板包括基体板以及按照周期性或者拟周期性排列嵌入在所述基体板中的m行n列的散射体，分布的形式是二组元。

所述嵌入型周期结构板包括基体板以及按照周期性或者拟周期性排列嵌入在所述基体板中的m行n列的散射体，在散射体外还有包裹层，分布的形式是三组元。

所述嵌入的散射体的形状是圆柱体、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，三角形或其他正多边形。

所述嵌入的散射体，同一行的散射体的大小和组元形式完全相同。

所述分布的形式是二组元形式时，在列方向上，散射体的半径或边长根据需要逐渐变化。

所述分布的形式是三组元形式时，在列方向上，散射体大小不变，而包裹层的厚度逐渐变化；或是包裹层的厚度不变，而散射体的半径或边长逐渐变化。

所述散射体的半径或边长逐渐变化，是按照线性变化或幂指数变化。

当采用二组元形式时，基体板的材料可以是橡胶或者环氧树脂。散射体的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。

所述分布的形式是三组元形式时，基体板和散射体的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料，包裹层的材料是橡胶或者环氧树脂。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

1)该周期结构板可以用于减振降噪，利用声子晶体的带隙特性可以直接阻止特定频率范围内弹性波或声波的传播，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，使用该嵌入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)为了便于排列，周期结构晶格的形状和晶格常数一般是固定的，传统材料改变基体或散射体的材料很难实现折射率的渐变，通过逐渐改变散射体大小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为本实用新型二组元具有梯度折射率的周期板结构图；

图1b为本实用新型三组元具有梯度折射率的周期板结构图；

图2a为本实用新型二组元的单胞结构图；

图2b为本实用新型三组元的单胞结构图；

图3a为本实用新型二组元单胞的剖面图；

图3b为本实用新型三组元单胞的剖面图；

图4为本实用新型二组元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、散射体2、包裹层3。

具体实施方式

本实用新型的形成方法如下：

m行n列的散射体按照周期性或者拟周期性排列嵌入在基体板中；散射体分布的形式可以是二组元(散射体外无包裹层)或者三组元(散射体外有包裹层)。嵌入的散射体可以是圆柱，长方体或者正多边体。同时晶格形状可以是正方形，三角形或其他正多边形。同一行的散射体的大小和组元形式完全相同。

当采用二组元形式时，在列方向上，散射体的半径大小根据需要逐渐变化，可以是按照线性变化，幂指数变化或者其他函数组合等。基体板的材料可以是橡胶或者环氧树脂。散射体的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。

当采用三组元形式时，在列方向上，可以是散射体半径不变，而包裹层的厚度逐渐变化，也可以是包裹层的厚度不变，而散射体的半径逐渐变化。变化同样可以是按照线性变化，幂指数变化或者其他函数组合等。基体板和散射体的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。包裹层的材料可以是橡胶或者环氧树脂。

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步详细说明：

周期结构，又称声子晶体，其中相互不相邻的部分称为散射体，相互连接的部分称为基体。其中一维声子晶体是由两种材料交替排列构成的层状或杆状结构；二维声子晶体是由柱状散射体平行排列在基体之中构成的二维周期结构，其中柱状散射体的截面主要有圆形、正方形等，排列方式有正方形、三角形等；三维声子晶体是由球状散射体周期排列在基体之中形成的三维空间点阵结构，结构形式有简单立方结构、面心立方结构、体心立方结构等。本实用新型介绍的就是二维周期结构。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、2a、3a所示，本实施例为二组元的嵌入型周期结构板，采用正方形晶格，晶格常数设置为a₁，嵌入m排n列的圆柱形散射体，同一行的散射体大小不变，在列方向上，散射体的半径从r₁按某一函数规律变化至r₂再变化至r₁再变化至r₂。

实施例2：

如图1b)、2b)、3b)所示，本实施例为三组元的嵌入型周期结构板，采用正方形晶格，晶格常数设置为a₂，嵌入m排n列的圆柱形散射体，同一行的散射体大小不变，在列方向上，散射体半径r不变，包裹层厚度从t₁按某一函数规律变化至t₂再变化至t₁再变化至t₂。

实施例3：

如图4、2a、3a所示，本实施例为二组元的嵌入型周期结构板，采用正三角形的晶格方式，晶格常数设置为a₃，嵌入m排n列的圆柱形散射体，同一行的散射体大小不变，在列方向上，散射体的半径从R₁按某一函数规律变化至R₂再变化至R₁再变化至R₂。

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。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，该嵌入型周期结构板包括基体板(1)以及按照周期性或者拟周期性排列嵌入在所述基体板(1)中的m行n列的散射体(2)，分布的形式是二组元。

2.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述嵌入型周期结构板包括基体板(1)以及按照周期性或者拟周期性排列嵌入在所述基体板(1)中的m行n列的散射体(2)，在散射体(2)外还有包裹层(3)，分布的形式是三组元。

3.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述嵌入的散射体(2)的形状是圆柱体、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，三角形或其他正多边形。

4.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述嵌入的散射体(2)，同一行的散射体(2)的大小和组元形式完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述分布的形式是二组元形式时，在列方向上，散射体(2)的半径或边长根据需要逐渐变化。

6.根据权利要求2所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述分布的形式是三组元形式时，在列方向上，散射体(2)大小不变，而包裹层(3)的厚度逐渐变化；或是包裹层(3)的厚度不变，而散射体(2)的半径或边长逐渐变化。

7.根据权利要求5或6所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述散射体(2)的半径或边长逐渐变化，是按照线性变化或幂指数变化。

8.根据权利要求5所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，当采用二组元形式时，基体板(1)的材料可以是橡胶或者环氧树脂，散射体(2)的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。

9.根据权利要求6所述的一种具有梯度折射率的嵌入型周期结构板，其特征在于，所述分布的形式是三组元形式时，基体板(1)和散射体(2)的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料，包裹层(3)的材料是橡胶或者环氧树脂。