[发明专利]一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管

说明书

本发明公开一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管，包括类流体弹性超材料，模态转换弹性超材料和各向同性背景介质，类流体弹性超材料和模态转换弹性超材料分别由其单胞沿所在平面的纵向和横向周期性排列得到，类流体弹性超材料一侧与用于输入/输出振动信号的各向同性背景介质连接，另一侧与模态转换弹性超材料连接，模态转换弹性超材料另一侧连接用于输出/输入振动信号的各向同性背景介质。在特定频率范围内，类流体弹性超材料仅能通过纵波，无法通过横波，而模态转换弹性超材料可以实现横波和纵波之间的转换，本发明能够解决目前声学二极管传输效率较低的问题。

技术领域

本发明涉及弹性波非互易传输技术领域，具体是一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管。

背景技术

声二极管是一种声整流器件，类似电子二极管的电整流效应，它可以实现声整流效应。声二极管可应用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如，单向镜可以防止超声源受到回溯波或单向声波屏障的干扰，以阻断单一方向的环境噪声。此外，声二极管更有望对医学超声治疗等关键领域产生革命性影响。

目前实现声波/弹性波单向传输的声学二极管主要可分为两种，一类是非线性模型，通过组合强非线性声学介质与线性超晶格结构，利用非线性介质的变频特性和超晶格结构的带隙特性，使频率处于超晶格带隙内的声波如果从非线性介质一侧进入会改变其频率从而通过超晶格结构，如果从超晶格一侧进入声波会被阻隔，从而实现声波的单向传输。另一类是线性模型，利用结构不对称的光栅、声子晶体、超表面等打破空间反演对称性来实现声波的单向传输。

声学超材料作为一种新型的功能材料，通过设计其材料参数，可以实现类流体特性和模态转换效应。通过设计有效质量密度ρ₁₁和ρ₂₂在特定频率范围内异号，可以实现在该段频率范围内只有纵波可以通过，而横波无法通过的类流体特性。模态转换效应可以实现横波和纵波之间相互转换，主要通过两种方式实现，一种是基于跨模态法布里珀罗干涉理论，一种是基于双模态四分之一波长阻抗匹配理论。通过结合具有类流体特性的弹性超材料和能够实现模态转换效应的弹性超材料，可以实现弹性波的非互易传输。

目前，声学二极管仍存在着传输效率较低的问题。因此，设计一类具有高传输效率的弹性波二极管具有十分重要的意义。本发明即根据此需求提出。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管，本发明的二极管能够解决目前声学二极管传输效率低的问题。

针对上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管，包括类流体弹性超材料、模态转换弹性超材料和各向同性背景介质。

类流体弹性超材料的单胞和模态转换超材料的单胞均为三组元结构，是一种局域共振单胞，其物理模型可简化为质量-弹簧-质量模型。

单胞的三相材料依据其材料特性是否符合物理模型进行选择，例如，最外层材料为环氧树脂，中间层材料为橡胶，包裹着最内层的铅核。

类流体弹性超材料一侧与用于输入/输出振动信号的各向同性背景介质连接，另一侧与模态转换弹性超材料连接，模态转换弹性超材料的另一侧与用于输出/输入振动信号的各向同性背景介质连接。

类流体弹性超材料由其单胞沿所在平面的纵向和横向周期性排列得到，单胞中沿铅核的上下、左右方向，在橡胶包裹层中分别开了不同大小的圆孔，圆孔的大小可依据有效质量密度ρ₁₁和ρ₂₂异号进行调节。

模态转换弹性超材料由其单胞沿所在平面的纵向和横向周期性排列得到，单胞中沿铅块的正负45度方向，在橡胶包裹层中分别开了不同大小的圆孔。