一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件制造技术

本发明专利技术提供了一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，包括方波导管和多个方柱；所述方波导管包括第一段、第二段和第三段；所述第二段与水平面平行；所述第三段与水平面之间的夹角为45°；所述第二段中与水平面成135°的方向上开设有逐级递增的多层孔道；所述方柱位于孔道内。本发明专利技术所述的基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件克服了传统技术中正向透射率低、单向传输频带窄且单一、单向传输性能无法调控等的不足，具备正向透射率高、声波单向传输频带宽且数目较多、性能可控的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声学超材料领域，尤其是涉及一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件。
技术介绍
在现实生活中，声波在通常介质中传输是双向的，即声波分别从介质的两侧入射时，其透射性能没有区别。而作为一种常见的能量和信息载体，如果声波单向传输可以实现，可运用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如：在B超超声成像的过程中，首先向体内发射超声波，反射的声波会被接收装置接收，通过分析反射声波信号得到体内器官或胎儿的超声图像，从而检测体内器官的健康程度或胎儿的发育情况。然而，部分反射声波会对入射声波形成干扰，从而降低B超成像的对比度及分辨率。因此，如果能够设计出声波单向传输器件，使得这些声波不再被反射回声源，将有助于提高医学超声成像的质量。此外，声波单向传输效应还可用于单向声屏障的设计与制造，聚焦超声治疗及特殊工业技术应用等领域。综上所述，声波单向传输器件的研制具有十分重要的学术价值和应用前景。目前，国内外研究人员主要采用非线性介质或特殊线性系统来研制声波单向传输器件。(1)利用非线性介质对声波产生的倍频或分频效应，同时结合声子晶体频率带隙的选择机制可以实现声波单向传输。当声波从非线性介质一侧入射时，声波频率会转化为倍频，倍频后的声波频率在声子晶体通带中，可以通过复合结构；而当该频率的声波从声子晶体一侧入射时，声波频率在声子晶体禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波单向传输。(2)设计特殊的线性系统实现声波的单向传输。例如：衍射结构与二维声子晶体构成的线性系统；其中，衍射结构用来改变声波传播方向，而二维声子晶体的方向带隙特性，可以实现对不同方向的声波选择性通过。当声波垂直入射于衍射结构时，产生不同方向的衍射声波，衍射声波的传播方向在声子晶体的方向通带中，可以通过声子晶体，并分布在不同方向上；而当声波从声子晶体一侧垂直入射时，声波在声子晶体方向禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波单向传输。在此基础上，基于声子晶体的禁带特性，研究人员又提出兰姆波型板状声子晶体、非对称三角形结构声子晶体、弯曲波导管结构声子晶体、梯度折射结构声子晶体等线性系统实现了声波单向传输。(3)基于单个一维周期性声栅与金属平板组成的非对称板状复合结构同样可以实现声波单向传输，其中一维周期性声栅改变声波的传播方向，而浸没在水中金属平板的兰姆波非对称模式的泄漏角度对不同方向的声波进行选择。然而传统技术中存在下列缺点：(1)基于非线性介质的声波单向传输器件，声波频率会发生变化，且声波的正向透射率极低；(2)基于声子晶体的单向传输器件，目前其可实现单向传输效应的频带单一，且无法做到对单向传输效应的性能调控；(3)在现有的声波单向传输器件中，单向传输频带较窄。导致传统技术缺陷的原因有：(1)声波通过非线性介质，声波会产生倍频效应，使得入射声波频率发生改变；且非线性介质的倍频转换效率很低，从而引起单向传输效应的正向透射率极低；(2)基于声子晶体的方向禁带特性可以实现声波单向传输，然而，声波单向传输效应与声子晶体的结构参数息息相关，声子晶体结构参数的确定即基本确定了其对声波的作用情况，故不可避免的使声波单向传输效应频带单一，且性能难以调控；(3)由于实现声波非对称透射效应需要非常严格的条件，因此，现有的声波单向传输器件的频带较窄。
技术实现思路
针对现有技术中存在单向传输器件的正向透射率低、单向传输频带窄且单一、单向传输性能无法调控等不足，本专利技术提供了一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，该装置具备正向透射率高、声波单向传输频带宽且数目较多、性能可控的优点。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，包括方波导管和多个方柱；所述方波导管包括第一段、第二段和第三段；所述第二段与水平面平行；所述第三段与水平面之间的夹角为45°；所述第二段中与水平面成135°的方向上开设有逐级递增的多层孔道；所述方柱位于孔道内。优选的，所述第一段与水平面之间的夹角为135°，第一段和第三段成轴对称布置。优选的，所述第二段自下而上开设有孔数成等差数列递增的5层孔道。优选的，所述相邻两层孔道的数量差为2。优选的，所述方柱的底面与水平面平行。优选的，方波导管的内管直径L＝15mm；5个方柱构成的声子晶体参数如下：d＝1.4mm，a＝3mm，b＝3.6mm。优选的，所述方柱的底面与水平面成45°设置。优选的，所述方柱的材质为金属或合成金属材料。优选的，所述方柱的材质为铜、锌、铁、钢、铝、金、银、镍中的一种。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术所述基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，将多个方柱构成的二维声子晶体和方波导管有机组合，克服了传统单向传输器件的正向透射率低、单向传输频带
窄且单一、单向传输性能无法调控的不足。(2)本专利技术通过旋转方柱角度或者方波导管结构的角度，来调控单向传输性能，实现单向传输效应的开关、反转等；还可实现多频带声波透射性同步。(3)本专利技术使得单向传输频带范围广，当单向传输器件尺寸整体变小，单向传输频带向高频平移，可高达2100kHz左右，当单向传输器件尺寸整体变大，单向传输频带向低频平移，可低至22kHz左右；且均有2个单向传输频带，正向透射率可达到80％以上。附图说明图1为本专利技术所述的基于波导管结构的声单向传输器件示意图。图2为本专利技术所述的基于波导管结构的声单向传输器件，声子晶体方柱的角度(a)θ＝0度及(b)θ＝45度示意图。图3为实施例1的声强级频谱图。图4为实施例2的声强级频谱图。图5为实施例3的声强级频谱图。图6为实施例4的声强级频谱图。图7为实施例5的声强级频谱图。图8为实施例6所述的基于波导管结构的声单向传输器件，声子晶体方柱的角度(a)θ＝0度及(b)θ＝45度示意图。图9为实施例6的声强级频谱图。附图标记说明如下：1-方波导管，2-方柱，101-第一段，102-第二段，103-第三段。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1如图1所示，一种浸没在水中的金属波导管复合结构模型，所述金属波导管复合结构包括方波导管1和多个方柱2；所述方波导管1包括第一段101、第二段102和第三段103；所述第二段102与水平面平行；所述第三段103与水平面之间的夹角为45°；所述第二段102中与水平面成135°的方向上自下而上开设有孔数成等差数列递增的5层孔道103；所述方柱2位于孔道103内。方波导管1的内管直径L＝15mm；5个方柱2构成的声子晶体参数如下：d＝1.4mm，a＝3mm，b＝3.6mm。方柱2的角度包含0°和45°两种实现方式，如图2(a)、2(b)
所示，并分别对应两种透射模式。为了计算声波非对称透射声强级频谱，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属波导管复合结构模型。声子晶体的方柱材料选用钢，计算所用的材料参数分别为：钢的密度7800kg/m3，纵波速度6100m/s及横波速度3300m/s；水的密度998kg/m3及声速1483m/s。图3为平面波激发声子晶体产生的声强级频谱图(a)θ＝0°与(b)θ＝45°，其中实线表示声波从左侧入射；虚线表示声波从右侧入射。如图3(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，其特征在于，包括方波导管(1)和多个方柱(2)；所述方波导管(1)包括第一段(101)、第二段(102)和第三段(103)；所述第二段(102)与水平面平行；所述第三段(103)与水平面之间的夹角为45°；所述第二段(102)中与水平面成135°的方向上开设有逐级递增的多层孔道(103)；所述方柱(2)位于孔道(103)内。

【技术特征摘要】
1.一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，其特征在于，包括方波导管(1)和多个方柱(2)；所述方波导管(1)包括第一段(101)、第二段(102)和第三段(103)；所述第二段(102)与水平面平行；所述第三段(103)与水平面之间的夹角为45°；所述第二段(102)中与水平面成135°的方向上开设有逐级递增的多层孔道(103)；所述方柱(2)位于孔道(103)内。2.根据权利要求1所述的一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，其特征在于，所述第一段(101)与水平面之间的夹角为135°，第一段(101)和第三段(103)成轴对称布置。3.根据权利要求1或2所述的一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件，其特征在于，所述第二段(102)自下而上开设有孔数成等差数列递增的5层孔道(103)。4.根据权利要求3所述的一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏祥，黄玉磊，袁寿其，夏建平，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32