一种基于声子晶体理论的声学器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于声子晶体理论的声学器件，采用C形状的散射体竖直放置在基体中构成声子晶体单胞，声子晶体单胞以三角晶格点阵方式组合矩形状声子晶体超胞结构，声波从声子晶体超胞结构一侧正入射到声子晶体超胞结构，通过旋转各区域的散射体，使其拓扑相发生了改变；当不同拓扑相的声子晶体相组合时，在交界面处将会产生拓扑谷极化边界态，利用自身声定向传播特性、声单向传播特性、背向散射抑制性和鲁棒特性可制作一种多功能声学器件，本发明专利技术声学器件的功能包含声二极管功能、声波导功能、声开关功能，具有结构简单，操作方便，声能损失小的优点，且抗外界对结构的扰动能力强，适合推广应用。适合推广应用。适合推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体理论的声学器件


[0001]本专利技术属于声学器件
，具体涉及一种基于声子晶体理论的声学器件。

技术介绍

[0002]随着在声学领域的研究进展，对声波的调控越来越受到广大学者的关注，例如声聚集传播、改变声传播路径，控制声传播路径的打开与闭合等，若能完成以上的目标，可以充分利用声能的特性，将声能转换为其他能量加以利用，同时可以减少振动和消除危害人类生活的噪声，在减振降噪方面具有重要意义。声子晶体的发现为声学器件的设计带来全新的思路，相应地，众多学者基于声子晶体理论设计了多种声学器件来达到对声波的调控。
[0003]以往设计的声学器件结构复杂，且要求的精度较高。而在实际应用中外界的扰动是不可能避免的。当结构存在扰动或缺失时，声学器件的功能效率就会降低甚至失效。声子晶体的提出为声波的调控带来新的思路，其自身具有的特性对声学器件的设计具有指导意义。现有技术中，利用声子晶体对声聚集性传播和改变声传播路径主要是通过在声子晶体超胞内引入点缺陷/线缺陷进行的，该方法结构简单，易于制造和操作，但是声波通过声子晶体后声能损耗较大，效率低较低。声单向传播的实现主要是通过对时间和空间进行调制，其中，对时间调制的方法单通效应较差，其原因在于非线性介质较低的转化率和存在非协效应，对空间的调制方法较前者单通效应更好，但是结构较为复杂和固定。
[0004]鉴于此，利用声子晶体理论，同时将以上对声波调控的功能结合，设计一种高效的、结构简单且抗外界扰动的多功能声学器件具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于声子晶体理论的声学器件，基于声子晶体理论构建二维声子晶体超胞结构，通过在超胞结构的各区域组合不同拓扑相的声子晶体，在交界面处将产生拓扑谷极化边界态，利用其自身具有的定向传播、单向传播、背向散射抑制性和鲁棒特性，从而能够有效的对声波进行调控。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于声子晶体理论的声学器件，包括若干声子晶体单胞，若干声子晶体单胞以三角晶格点阵方式排列组成声学器件，每个声子晶体单胞包括散射体，散射体为具有手性特征的C形结构，竖直放置在基体内。
[0008]具体的，散射体1能绕自身的几何中心顺时针或逆时针旋转，旋转角度为α。
[0009]进一步的，当α＝
‑
20
°
时的声子晶体单胞为声子模式A；当α＝20
°
时的声子晶体单胞为声子模式B；当α＝0
°
时的声子晶体单胞为声子模式C；声子模式A、声子模式B和/或声子模式C构成声波导器件、声二极管器件或声开关器件。
[0010]更进一步的，声子晶体单胞的频率为9000～11000Hz。
[0011]更进一步的，当旋转角度α<0时，C
v
＝
‑
1＜0，当旋转角度α>
0时，C
v
＝1＞0，为散射体逆时针旋转后声子晶体的拓扑指数，为散射体顺时针旋转后声子晶体的拓扑指数，C
v
为谷陈数。
[0012]具体的，散射体的外环半径为0.4a，散射体的内环半径为0.2a，a为声子晶体单胞的晶格常数。
[0013]具体的，散射体的开口角度为120
°
。
[0014]具体的，散射体为钢。
[0015]具体的，基体为空气。
[0016]具体的，声学器件为呈矩形状结构的声子晶体超胞结构。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0018]本专利技术一种基于声子晶体理论的声学器件，通过组合散射体和基体，构造声子晶体单胞结构，进而构造声子晶体超胞；散射体选择C形状，其目的在于C形状具有手性特征，将声子晶体与手性特征相结合使得声子晶体单胞具有丰富的带隙，且带隙频段更低，为用户提供更多的频段选择以满足实际工况，由于仅需要旋转各区域的“C”形状散射体即可实现对声波的调控，操作简便，且仅需要改变不同区域的散射体的拓扑相即可实现声定向传播、声单向传播和控制声波传播路径的打开与关闭，实现多种声学器件功能的相结合，且在声波传播的过程中声能损失小，效率高，受外界的扰动影响较小。
[0019]进一步的，通过对散射体1绕其几何中心顺时针或逆时针旋转，可以改变声子晶体的拓扑相，产生拓扑谷极化边界态，多功能声学器件利用该特性进行工作。该方法操作简便，仅需要控制散射体的旋转角度即可对多种声学器件之间的功能进行切换。
[0020]进一步的，本专利所设计的两种声子晶体单胞散射体旋转角度分别为α＝20
°
与α＝
‑
20
°
仅表示一种情况，实际应用中需要满足两种声子晶体单胞散射体旋转角度α互为相反数即可。
[0021]进一步的，本专利所设计的声子晶体单胞的频率为9000～11000Hz仅表示一种情况，实际应用中需要根据实际工况所需频段设计声子晶体单胞即可。
[0022]进一步的，当旋转角度α<0时，C
v
＝
‑
1＜0，当旋转角度α>0时，C
v
＝1＞0。这表明顺时针旋转与逆时针旋转具有相反的谷陈数，根据体
‑
边界对应原则，具有两个相反的谷陈数声子晶体组合，在交界面处将出现拓扑谷极化边界态，所设计的声学器件利用该特性进行工作。
[0023]进一步的，本专利所设计的声子晶体单胞的散射体的外环半径为0.4a，散射体的内环半径为0.2a，a为声子晶体单胞的晶格常数仅表示一种情况，实际应用中需要根据实际工况所需频段修改声子晶体单胞的几何尺寸。
[0024]进一步的，本专利所设计的声子晶体单胞的散射体的开口角度为120
°
仅表示一种情况，实际应用中需要根据实际工况所需频段修改声子晶体单胞的几何尺寸。
[0025]进一步的，本申请所设计的声子晶体单胞的散射体为钢仅表示一种情况，实际应用中需要根据实际工况所需频段修改声子晶体单胞的散射体材料属性。
[0026]进一步的，本专利所设计的声子晶体单胞的基体为空气仅表示一种情况，实际应
用中需要根据实际工况所需频段修改声子晶体单胞的基体材料属性。
[0027]进一步的，本专利所设计的声学器件为矩形状结构的声子晶体超胞结构仅表示一种情况，实际应用中需要根据实际工况修改声子晶体超胞的结构形状。
[0028]综上所述，本专利技术声学器件具有结构简单，操作方便，效率高，鲁棒性强的优点。
[0029]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0030]图1为本专利技术声学器件的单胞示意图，其中，(a)为声子晶体初始单胞结构，(b)为α＝20
°
时声子晶体的单胞结构，(c)为α＝
‑
20<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，包括若干声子晶体单胞，若干声子晶体单胞以三角晶格点阵方式排列组成声学器件，每个声子晶体单胞包括散射体(1)，散射体(1)为具有手性特征的C形结构，竖直放置在基体(2)内。2.根据权利要求1所述的基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，散射体1能绕自身的几何中心顺时针或逆时针旋转，旋转角度为α。3.根据权利要求2所述的基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，当α＝
‑
20
°
时的声子晶体单胞为声子模式A；当α＝20
°
时的声子晶体单胞为声子模式B；当α＝0
°
时的声子晶体单胞为声子模式C；声子模式A、声子模式B和/或声子模式C构成声波导器件、声二极管器件或声开关器件。4.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，声子晶体单胞的频率为9000～11000Hz。5.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，当旋转角度α&a...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹蕾蕾，赵琦武，武建华，张哲，万文轩，孙霖霖，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：