一种基于声子晶体理论的声学器件

1.本发明属于声学器件技术领域，具体涉及一种基于声子晶体理论的声学器件。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一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。
8.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。
9.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。
10.更进一步的，声子晶体单胞的频率为9000～11000hz。
11.更进一步的，当旋转角度α《0时，cv＝-1＜0，当旋转角度α》
0时，cv＝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，cv为谷陈数。
12.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。
13.具体的，散射体的开口角度为120
°
。
14.具体的，散射体为钢。
15.具体的，基体为空气。
16.具体的，声学器件为呈矩形状结构的声子晶体超胞结构。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.进一步的，当旋转角度α《0时，cv＝-1＜0，当旋转角度α》0时，cv＝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。
23.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。
24.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。
25.进一步的，本技术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。
26.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。
27.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。
28.综上所述，本发明声学器件具有结构简单，操作方便，效率高，鲁棒性强的优点。
29.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
30.图1为本发明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
°
时声子晶体的单胞结构；
31.图2为本发明声学器件的声子晶体超胞示意图；
32.图3为本发明声学器件的单胞的能带结构；
33.图4为a、b两种声子晶体组合成条状超胞的能带结构图，其中，(a)为条状超胞的能带结构，(b)为p处局部放大图，(c)为q处局部放大图；
34.图5为本发明将模型改为声二极管(aba结构)器件的声子晶体超胞示意图；
35.图6为频率为f＝10870hz的声波从左侧入射到声二极管声学器件的声压场数值模拟；
36.图7为声波分别在ab直线型界面和ba直线型界面处的透射系数随声波频率的变化曲线；
37.图8为本发明将模型改为声波导器件(边界路径呈“z”字状)声子晶体超胞示意图；
38.图9为频率为f＝10870hz的声波从左侧入射到声波导器件的声压场数值模拟；
39.图10为声波分别在左侧入射时ba直线型界面和ba型“z”字状界面处的透射系数随声波频率的变化曲线；
40.图11为本发明将模型改为含缺陷状态的声波导器件声子晶体超胞示意图，插图显示缺陷处的局部放大情况；
41.图12为频率为f＝10870hz的声波从左侧入射到含缺陷状态的声波导器件的声压场数值模；
42.图13为本发明将模型改为含紊乱状态的声波导器件的声子晶体超胞示意图，插图显示紊乱处的局部放大情况；
43.图14为频率为f＝10870hz的声波从左侧入射到含紊乱状态的声波导器件的声压场数值模；
44.图15为声波分别在左侧入射完整的声波导器件，含缺陷状态的声波导声学器件和含紊乱状态的声波导器件的透射系数随声波频率的变化曲线；
45.图16为本发明实施例中将模型改为声开关器件的声子晶体超胞示意图；
46.图17为能够使频率为f＝10870hz的声波从端口1入射，端口3射出的声开关器件的声压场数值模拟；
47.图18为能够使频率为f＝10870hz的声波从端口1入射，端口2射出的声开关器件的声压场数值模拟；
48.图19为能够使频率为f＝10870hz的声波从端口1入射，端口4射出的声开关器件的声压场数值模拟；
49.图20为能够使频率为f＝10870hz的声波从端口1入射，端口2和端口4同时射出的声开关器件的声压场数值模拟。
50.其中：1.散射体；2.基体。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
53.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
55.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
56.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
57.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
58.本发明提供了一种基于声子晶体理论的声学器件，采用三角晶格点阵方式组合而成一种矩形状声子晶体超胞结构，其中散射体为“c”形状，可绕其几何中心顺时针或逆时针旋转，材料为钢，基体材料为空气。将散射体竖直放置在基体中，声波从声子晶体超胞结构一侧正入射到所述的声子晶体超胞结构，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，该声学器件的功能包含了声二极管功能、声波导功能、声开关功能，且结构简单，操作方便，声能损失小，抗外界对结构的扰动能力强，适合推广应。
59.请参阅图1和图2，本发明一种基于声子晶体理论的声学器件，声学器件为声子晶体超胞结构，呈矩形状，包括若干以三角晶格点阵方式排列的单胞，单胞包括散射体1和基体2。
60.单胞的散射体1为钢，单胞的基体2为空气。
61.散射体1的形状为具有手性特征的“c”形状，竖向设置在单胞的基体2内，形成周期性结构，其中散射体1可绕其几何中心顺时针或逆时针旋转。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。
62.单胞的晶格常数为a，散射体1的外环半径为0.4a，散射体1的内环半径为0.2a，散射体1的开口角度为120
°
。
63.散射体1为可绕几何中心顺时针或逆时针旋转的“c”形状，旋转角度为α，如图1(b)所示，深色虚线代表散射体旋转过后上端口与下端口的位置。
64.为方便叙述，当α＝-20
°
时的单胞结构被定义为声子模式a；
65.当α＝20
°
时的单胞结构被定义为声子模式b；
66.当α＝0
°
时的单胞结构被定义为声子模式c。
67.将单胞以三角晶格点阵方式排列，组合为声子晶体超胞结构，即本发明提供的一种基于声子晶体理论的多功能声学器件的初始结构，如图2所示。
68.请参阅图3，声子模式a在高对称点x处形成狄拉克点，若将散射体1以几何中心顺时针或逆时针旋转20
°
后，即声子模式b和声子模式c的能带结构相同，其特征为高对称点x处的狄拉克点打开，形成频率范围为9000～11000hz的带隙，处在该频段之内的声波将无法传播，处在该频段之外的声波将可以传播，同时通过分析发现α＝20
°
和α＝-20
°
时拥有不同的拓扑相，这意味着散射体由α＝20
°
变为α＝-20
°
的过程中发生谷霍尔相变。
69.基于k
·
p扰动方法，弹性谷霍尔相变用狄拉克点附近的有效哈密顿量描述：
[0070][0071]
其中，vd为狄拉克速度，σi表示泡利矩阵，m表示有效质量，由公式(2)表示：
[0072][0073]
其中，ωi表示带隙的上下频率，+、-代表旋转方向，+为顺时针方向，-为逆时针方向。
[0074]
由公式(1)可知第一条能带的berry曲率分布：
[0075][0076]
对其积分得拓扑指数的表达式：
[0077][0078]
当散射体的旋转角度互为相反数时，根据谷陈数的计算公式：
[0079]
[0080]
当旋转角度α《0时，cv＝-1＜0，当旋转角度α》0时，cv＝1＞0。
[0081]
结果表明，拓扑谷极化边界态存在于两个具有相反谷陈数的声子晶体构成的界面处。
[0082]
将声子模式a和声子模式b组合后形成为一个组合单胞，该组合单胞的能带结构如图4(a)所示，图中实线和虚线代表拓扑谷极化边界态，所对应的频率范围为9000～11000hz，图4(b)和图4(c)分别为p、q处的局部放大图，表示拓扑谷极化边界态具有声单向传输特性。
[0083]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0084]
本发明所提供的一种基于声子晶体理论的声学器件具有声二极管器件的工作效果，具体操作为：将多功能声学器件分为上下两部分，旋转多功能声学器件的上半部分的散射体为声子模式b，旋转多功能声学器件的下半部分的散射体为声子模式a，即可构造为声二极管器件。
[0085]
为更加直观的反映效果，将多功能声学器件分为三部分，旋转上部分和下部分的散射体为声子模式a，旋转中间部分的散射体为声子模式b(称“aba”结构)，如图5所示，在多功能声学器件的右侧施加声压后的声压场数值模拟如图6所示，由图可知声波可以沿着ba界面传播而ab界面无法通过。ab界面和ba界面的透射系数随频率的变化情况如图7所示，由图可知在拓扑边界态对应的9000～12000hz频段范围内，ab界面的透射系数(黑色实线)衰减幅度较大而ba界面的透射系数(红色虚线)基本无衰减，以上结果表明多功能声学器件可以达到声二极管器件的工作效果。
[0086]
本发明所提供的一种基于声子晶体理论的声学器件具有声波导器件的工作效果，其波导路径不局限于以下一种情况，现对以下例子进行描述，具体操作为：将多功能声学器件的分为左右两部分，旋转多功能声学器件的左半部分的散射体为声子模式b，旋转多功能声学器件的右半部分的散射体为声子模式a，左、右两部分之间的交界面呈“z”字状，如图8所示，即可构造为声波导器件。
[0087]
为更加直观的反映效果，在多功能声学器件的右侧施加声压后的声压场数值模拟如图8所示，由图可知声波沿着“z”字状交界面进行传播，整个界面的声压强度是均匀的，且两个钝角处没有观察到散射，以上结果表明多功能声学器件可以达到声波导器件的工作效果。图6中ba直线型交界面的透射系数与图8中ba“z”字状交界面的透射系数随频率的变化如图9所示，由图可知在9000～11000hz范围内，传输曲线几乎没有差异，证明在“z”字状交界面的钝角处拓扑谷极化边界态没有散射，以上结果表明当多功能声学器件为声波导器件
时具有背向散射抑制性。
[0088]
进一步地，在原声波导器件的“z”字状边界路径周围分别引入散射体缺陷状况和散射体紊乱状况，分别如图11和图13所示，插图显示了散射体缺陷和散射体紊乱处的局部放大图。在两种状况下的多功能声学器件的右侧施加声压后的声压场数值模拟分别如图12和图14所示，由图可知声波依旧可沿着“z”字状交界面进行传播。完整的声波导声学器件的透射系数、含散射体缺陷状况的声波导声学器件的透射系数和含散射体紊乱状况的声波导声学器件的透射系数随频率的变化如图15所示，由图可知三条曲线基本拟合，散射体的缺陷和紊乱基本对声传输没有影响，以上结果表明当多功能声学器件为声波导器件时具有对散射体缺陷和紊乱的鲁棒性。
[0089]
本发明所提供的一种基于声子晶体理论的声学器件具有声开关器件的工作效果，具体操作为：如图16所示，水平和垂直界面(红色实线)在模型中心相交，并将原多功能声学器件分为四个区域，四个输入/输出口分别标有1、2、3、4，以模型中心为分界点，将水平边界和垂直边界分为四个通道，分别标为l、r、u、d，通过旋转各区域的散射体，达到声开关器件的工作效果。
[0090]
为更加直观的反映效果，现对以下例子进行描述：在声开关器件的右侧施加声压，当左上区域和右上区域为声子模式b，左下区域和右下区域为声子模式a时，其声压场数值模拟如图17所示，由图可知声波由端口1入射，经过通道l和通道r由端口3射出；当左上区域为声子模式b，左下区域、右上区域和右下区域为声子模式a时，其声压场数值模拟如图18所示，由图可知声波由端口1入射，经过通道l和通道u由端口2射出；当左上区域、右上区域和右下区域为声子模式b，左下区域为声子模式a时，其声压场数值模拟如图19所示，由图可知声波由端口1入射，经过通道l和通道d由端口4射出；当左上区域和右下区域为声子模式b，左下区域和右上区域为声子模式a时，其声压场数值模拟如图20所示，由图可知声波由端口1入射，经过通道l、通道u和通道d由端口2和端口4同时射出。以上结果表明多功能声学器件可以到达声开关器件的工作效果。
[0091]
综上所述，本发明一种基于声子晶体理论的声学器件，仅需要旋转声子晶体的散射体旋转角度，在不同拓扑相的界面将产生拓扑谷极化边界态。利用拓扑谷极化边界态的声定向传播特性和声单向传播特性制作了多功能声学器件，该声学器件结合了声波导器件、声二极管器件和声开关器件三种声学器件的工作效果，具有结构简单、操作简便、工作效率高、背向散射抑制性和鲁棒性强等优点。
[0092]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
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<0时，c
v
＝-1＜0，当旋转角度α>0时，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。6.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)的外环半径为0.4a，散射体(1)的内环半径为0.2a，a为声子晶体单胞的晶格常数。7.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)的开口角度为120
°
。8.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)为钢。9.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，基体(2)为空气。10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于声子晶体理论的声学器件，其特征在于，声学器件为呈矩形状结构的声子晶体超胞结构。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：曹蕾蕾 赵琦武 武建华 张哲 万文轩 孙霖霖
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1