CN106023982B - 一种基于波导管结构的多频带可控声波单向传输器件 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
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，本发明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。
本发明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。
本发明的有益效果：
(1)本发明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)本发明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)本发明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为本发明所述的基于波导管结构的声单向传输器件示意图。
图2为本发明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发明作进一步的说明，但本发明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；所述方柱 2位于孔道内。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7800 kg/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)和3(b)，在200kHz-700kHz的频率范围内，分别各出现2个单向传输频带(斜线阴影区域)。它们所在的区间分别为：频带Ⅰ：200 kHz-375kHz，频带Ⅱ：390kHz-500kHz；频带Ⅲ：200kHz-330kHz，频带V：450kHz-605kHz；图3(b)中还存在一个双通频带(横线阴影区域)，频带Ⅳ：335kHz-450kHz。由此实现了多频带的单向传输效应。
从图中可以看出，在频带Ⅰ和Ⅲ中，左侧入射的平面波可以通过声子晶体，而右侧入射对应的透射率均很低，几乎不能通过声子晶体；在频带Ⅱ中，左侧入射平面波不能通过声子晶体，右侧入射可以，而在频带V的单通性则刚好相反，即右侧入射平面波不能通过声子晶体，而左侧入射可以；频带Ⅳ则由单通变为双通。比较图3(a)和3(b)可以看出，通过旋转声子晶体中方柱的角度，可以调控实现单向传输效应。从而实现了多频带单向传输效应，且性能可控。通带的透射率均达到80％以上，单向传输效应非常明显。
实施例2
器件中声子晶体的材料除了钢之外，还可以适用其他金属或合金材料的结构，图4(a)和 4(b)分别表示声子晶体材料为锌对应的声强级频谱图。声子晶体的结构参数为L＝15mm， d＝1.4mm，a＝3mm，b＝3.6mm，(a)θ＝0度及(b)θ＝45度。计算所用的材料参数分别为：锌的密度7100kg/m3，纵波速度4170m/s及横波速度2410m/s；水的密度998kg/m3及声速1483 m/s。从图4(a)和4(b)可以看出，在200kHz-700kHz频率范围中，声单向传输现象与图3(a) 和3(b)基本相同，即有两个单向传输频带(其中一个频带透射性可随θ变化)且可出现一个双通频带。
实施例3
图5(a)和5(b)分别表示声子晶体材料为铜对应的声强级频谱图。声子晶体的结构参数为L ＝15mm，d＝1.4mm，a＝3mm，b＝3.6mm，(a)θ＝0度及(b)θ＝45。计算所用的材料参数分别为：铜的密度8900kg/m3，纵波速度4710m/s及横波速度2260m/s；水的密度998kg/m3及声速 1483m/s。从图5(a)和5(b)可以看出，在200kHz-700kHz频率范围中，单向传输现象与图3(a) 和3(b)基本相同，即有两个单向传输频带(其中一个频带透射性可随θ变化)且可出现一个双通频带。
实施例4
现保持钢和水的材料参数不变，即钢的密度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。同时缩放所有结构参数(除θ外)为原来的 0.3倍，对应的结构参数为L＝4.5mm，d＝0.42mm，a＝0.9mm，b＝1.08mm，(a)θ＝0度及(b)θ＝45度。从图6(a)和6(b)可以看出，在700kHz-2100kHz频率区间出现了类似于图3(a)和3(b) 的现象，即有两个单向传输频带(其中一个频带透射性可随θ变化)且可出现一个双通频带，频带范围向高频方向平移。
实施例5
现保持钢和水的材料参数不变，即钢的密度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。同时缩放所有结构参数(除θ外)为原来的 10倍，对应的结构参数为L＝150mm，d＝14mm，a＝30mm，b＝36mm，(a)θ＝0度及(b)θ＝45。从图7(a)和7(b)可以看出，在22kHz-60kHz频率区间内的情况也类似于图3(a)和3(b)，即有两个单向传输频带(其中一个频带透射性可随θ变化)且可出现一个双通频带，频带范围向低频方向平移。
以上说明，变化器件的参数，可以使得单向传输频带发生平移，从而在22kHz-2100kHz 频率范围内获得声波单向传输效应。
实施例6
如图8(a)及8(b)，把所述第一段101设置成与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，保持其它参数不变，即L＝15mm，d＝1.4mm，a＝3mm，b＝3.6mm， (a)θ＝0度及(b)θ＝45。声子晶体材料仍选用钢，计算所用的材料参数分别为：钢的密度7800 kg/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。
如图9(a)θ＝0度，在200kHz-700kHz的频率范围内，出现了两个透射性相同的频带(横线阴影区)，分别为频带Ⅰ：220kHz-370kHz和频带Ⅱ：380kHz-620kHz。频带Ⅰ左侧和右侧入射的平面波均不能通过声子晶体，频带Ⅱ左侧和右侧入射的平面波则均能通过声子晶体。如图9(b)θ＝45度，频带Ⅲ：230kHz-320kHz，频带Ⅳ：330kHz-450kHz，频带VI：560kHz-700 kHz，平面波从左侧入射与从右侧入射透射率均相同。且频带V：450kHz-560kHz具有一定的单向传输性能。从而实现多频带双通声波透射效应。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
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；所述方柱(2)位于孔道内；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)；所述相邻两层孔道的数量差为2；所述方柱(2)的底面与水平面平行，或者所述方柱(2)的底面与水平面成45°设置。
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，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。
4.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，所述方柱(2)的材质为金属或合成金属材料。
5.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，所述方柱(2)的材质为铜、锌、铁、钢、铝、金、银、镍中的一种。
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