一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构，包括两个平行设置的空心板以及若干谐振腔，每个所述谐振腔设置在两个空心板之间，且每个所述谐振腔的顶部与底部分别与两个空心板连通，形成复合原胞；通过改变所述谐振腔到所述复合原胞的结构中心的距离实现拓扑相变，从而得到拓扑非平庸原胞和拓扑平庸原胞

【技术实现步骤摘要】
一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构


[0001]本专利技术涉及声学传输器件领域，更具体地，涉及一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构
。

技术介绍

[0002]近年来，随着凝聚态物理的蓬勃发展，各种拓扑效应受到人们越来越多的关注，如量子霍尔效应
(QHE)、
量子自旋霍尔效应
(QSHE)、
拓扑绝缘体
(TI)、
高阶拓扑绝缘体
(HOTI)
等等
。
其中，根据传统的
d
维拓扑绝缘体的体
‑
边对应关系，其具有
(d
‑
1)
维的拓扑边界态
。
拓扑绝缘体的拓扑输运受到拓扑保护，即对缺陷具有很强的鲁棒性，在结构存在缺陷的位置也能保持原来的传输状态且几乎不产生任何背向散射，实现受拓扑保护的边缘态，将拓扑体系的各种新颖的特性拓展到光学
、
声学
、
力学中，为各个领域的发展灌注了新的动力
。
[0003]声子晶体是一种具有空间周期性的结构材料，其质量密度及弹性常量等参数在空间中周期性排列，其重要特征是处于声子带隙范围内的声波或振动禁止在声子晶体内传播
。
声子晶体与拓扑体系的结合，进一步丰富了凝聚态物理
。
对于声学系统，量子体系中量子自旋霍尔效应可由声学赝自旋态实现，赝自旋声学拓扑绝缘体中的狄拉克点大多是由高对称性产生的，利用具有特殊对称性的六角蜂窝晶格结构形成狄拉克锥的简并，并基于区域折叠效应实现双重简并狄拉克点
。
通过调整结构的参数打破平移对称性，可实现双重简并点打开
‑
闭合
‑
打开的过程，以实现结构能带翻转，构造拓扑非平庸相
。
通过声学体系下借助赝自旋态实现量子自旋霍尔效应能为人们提供全新的声波传输操控方式，并且受拓扑保护的边界态具有很强的鲁棒性，在信息传输中具有信息不易丢失
、
传输速度快
、
传输距离远等优点
。
[0004]对于水中的声波，属于纵波，不存在“自旋”状态
。
声波在水下传播速度快于空气中的传输，现有的声学拓扑绝缘体主要集中于在空气中的声波传播，研究的结构比较复杂
、
缺乏灵活性，水下声波导器件研究比较少，并且传统水下波导传输损耗非常大
。
[0005]申请号为
202110554838.5
的中国专利技术专利公开了一种
《
一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件
》
，其采用的技术方案是：利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构在声学中模拟量子谷霍尔效应，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，利用边界态是在空气声音传播中实现了双频段的声波分束
。
[0006]基于上述现有技术可以得知，当前声学赝自旋霍尔效应主要集中于空气声波传输的研究，且相关器件设计较为复杂
。
声波在水下的传输效果优于空气中，但当前水下波导结构研究缺失，且传统波导造成的损耗较大
。
因此，亟需一种基于水下声子晶体实现赝自旋拓扑态并完成无损声波传输的声学波导
。

技术实现思路

[0007]本专利技术为解决现有技术主要在空气声波传输中实现赝自旋拓扑态，且相关器件设
计较为复杂的技术问题，提供了一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]本专利技术第一方面提供了一种基于流固耦合的二维声子晶体，包括两个平行设置的空心板以及若干谐振腔，每个所述谐振腔设置在两个空心板之间，且每个所述谐振腔的顶部与底部分别与两个空心板连通，形成复合原胞；通过改变所述谐振腔到所述复合原胞的结构中心的距离实现拓扑相变，从而得到拓扑非平庸原胞和拓扑平庸原胞
。
[0009]相较于现有技术，上述方案由空心板以及谐振腔构成，能够通过改变所述谐振腔到复合原胞的结构中心的距离实现拓扑相变，从而实现实现声学赝自旋霍尔效应
。
基于流固耦合的声子晶体与声学赝自旋霍尔效应可实现水下声波传输，与赝自旋相关的边界态受拓扑保护，具有很强的鲁棒性，可完成声波的单向拓扑边界态传输，有助于实现水下声学器件无损耗声波输运
。
[0010]作为一种优选方案，所述谐振腔的数量设为6，所述谐振腔均设置在两个空心板之间，形成复合原胞
。
[0011]作为一种优选方案，所述谐振腔为空心三棱柱，所述谐振腔均设置在两个空心板之间，任意一个所述谐振腔均垂直于任意一个所述空心板的一面
。
[0012]作为一种优选方案，任意一个所述空心板的表面为六边形，六边形任意一边的中垂线均经过谐振腔的端面中心点
。
[0013]作为一种优选方案，所述空心板以及谐振腔的表面均以钢材作为硬边界，所述空心板以及谐振腔的内部均充满水；所述空心板的六边形表面的两个相对平行边的距离为预设值，记为晶格常数
a
；所述空心板的厚度为预设值，所述谐振腔的三棱柱边长以及高度均为预设值，每个谐振腔到所述复合原胞的结构中心的距离满足
R
＝
a/3
[0014]作为一种优选方案，包括拓扑非平庸原胞和拓扑平庸原胞，所述拓扑非平庸原胞和拓扑平庸原胞的谐振腔到所述复合原胞的结构中心的距离不同
。
[0015]本专利技术第二方面提供了一种波导结构，包括若干个前述的一种基于流固耦合的二维声子晶体
。
[0016]作为一种优选方案，前述的一种波导结构由若干个拓扑非平庸原胞与拓扑平庸原胞拼接成有限平行四边形超胞结构
。
[0017]作为一种优选方案，所述有限平行四边形超胞结构的一半由若干拓扑平庸原胞组成，另一半由拓扑非平庸原胞组成
。
[0018]作为一种优选方案，所述拓扑非平庸原胞和所述拓扑平庸原胞拼接的界面包括直线型界面和锯齿型弯曲界面
。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020]本专利技术设计了一种基于流固耦合的二维声子晶体及其波导结构，所述波导结构由若干个所述声子晶体的拓扑平庸相与拓扑非平庸相拼接而成，两者的拼接界面分别为直线型与锯齿型弯曲界面
。
基于流固耦合的声子晶体与声学赝自旋霍尔效应可实现水下声波传输，与赝自旋相关的边界态受拓扑保护，具有很强的鲁棒性，可完成声波的单向拓扑边界态传输，有助于实现水下声学器件无损耗声波输运
。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例提供的一种基于流固耦合的二维声子晶体单胞图；
[0022]图2为本专利技术实施例提供的晶格第一布里渊区扫描示意图；
[0023]图3为本专利技术实施例提供的单胞第一布里渊区能带图；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于流固耦合的二维声子晶体，其特征在于，包括两个平行设置的空心板
(1)
以及若干谐振腔
(2)
，每个所述谐振腔
(2)
设置在两个空心板
(1)
之间，且每个所述谐振腔
(2)
的顶部与底部分别与两个空心板
(1)
连通，形成复合原胞；通过改变所述谐振腔
(2)
到所述复合原胞的结构中心的距离实现拓扑相变，从而得到拓扑非平庸原胞和拓扑平庸原胞
。2.
根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的二维声子晶体，其特征在于，所述谐振腔
(2)
的数量设为6，所述谐振腔
(2)
均设置在两个空心板
(1)
之间，形成复合原胞
。3.
根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的二维声子晶体，其特征在于，所述谐振腔
(2)
为空心三棱柱，所述谐振腔
(2)
均设置在两个空心板
(1)
之间，任意一个所述谐振腔
(2)
均垂直于任意一个所述空心板
(1)
的一面
。4.
根据权利要求3所述的一种基于流固耦合的二维声子晶体，其特征在于，任意一个所述空心板
(1)
的表面为六边形，六边形任意一边的中垂线均经过谐振腔
(2)
的端面中心点
。5.
根据权利要求4所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣，张浩斌，俞行龙，罗丽，姚源卫，黄颖怡，彭洁彬，陆嘉俊，吴福根，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：