[发明专利]一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件

说明书

本发明公开了一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件，属于声学超材料领域，所述器件由一维周期性栅格板和“铝‑水”双晶结构耦合而成；所述“铝‑水”双晶结构是由两个周期数为5的一维流‑固声子晶体按一定间隔串联组成，两单晶体中间间隔部分形成共振腔体。本发明实现了单一频率声波的单向传输，可通过改变“铝‑水”双晶结构中的共振腔厚度d_R以及调节所述一维周期性栅格板的栅格常数A，来选择单向传输的频率，可应用于水下声波的滤波、保密通讯等领域。

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是涉及一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件。

背景技术

众所周知，电子二极管是第一个可产生整流效应的人造器件，为信息技术的发展做出了重要贡献。受电子二极管的启示，人们在对其他能量载体的单向操控也进行了广泛的研究。声波是水下唯一能够进行能量远距离传输的载体，在海洋声学、水声学等领域中占有重要地位。若能设计出一种针对水下声波进行单向调控的声二极管器件，具有类似电子二极管的单向传输特性，将具有十分重要的科学意义及应用价值。目前，国内外研究者在线性和非线性声二极管方面均取得了一些显著成果。一方面，研究者根据非线性声学媒质的变频效应来打破系统对称性，利用非线性媒质和声子晶体的组合实现了声单向传输。但是，此类非线性系统的声整流比不高且非线性媒质具有制作成本高昂以及难以长时间维持等缺点。另一方面，在线性系统下的声单向传输器件设计中，研究者通过结合周期性栅格板对声波的衍射效应和声子晶体对声波的禁带效应，实现了声波的单向传输。然而，现有的线性声单向传输器件，虽然具有较宽的工作频率范围，但却不能针对特定频率实现声波的单向导通，因而在水声精准滤波、水声保密通讯等方面具有局限性。

近年来，人们开始对量子力学领域中的“隧穿效应”以及含缺陷声子晶体的声传播特性进行研究，并发现声波在被共振腔分开的双晶体中传播时会发生共振隧穿效应。若将双晶体对声波的共振隧穿效应和周期性栅格板对声波的衍射效应结合，有望构造一种新型声学超材料，在线性系统下实现针对单一频率的声单向传输。

发明内容

针对现有单向传输器件产生的频带具有一定的带宽，缺乏频率唯一性和可调性，不利于水下精准滤波、水声保密通讯等应用的缺陷，本发明提供了一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件，该器件能通过利用双晶共振隧穿效应，在第一禁带中形成窄通带，实现单一频率声波的单向传输；同时可以改变“铝-水”双晶结构中的共振腔厚度以及调节所述一维周期性栅格板的栅格常数，来选择单向导通的频率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件，包括一维周期性栅格板和“铝-水”双晶结构；所述一维周期性栅格板与“铝-水”双晶结构耦合而成；所述“铝-水”双晶结构由周期数为5的一维流-固声子晶体按一定间隔沿x轴阵列组成。

进一步的，所述一维周期性栅格板位于“铝-水”双晶结构的一侧。

进一步的，所述周期数为5的一维流-固声子晶体之间的一定间隔为共振腔体。

进一步的，所述共振腔体内所含流体为水，且所述共振腔体厚度d_R可调。

进一步的，周期数为5的一维流-固声子晶体包括水层和固体层，水层厚度d₁和固体层厚度d₂相同，且等间距分布。

进一步的，共振腔体厚度d_R≤d₁+2d₂，其中，d₁为水层厚度，d₂为固体层厚度。

进一步的，水层厚度d₁＝4mm，固体板厚度d₂＝4mm。

进一步的，所述一维周期性栅格板包括固体板，并按一定周期沿y轴方向排布；所述一维周期性栅格板的固体板为长方形，其中长度h＝10mm，宽度w＝2mm。