阅读说明：本技术 一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件 (Adjustable single-frequency underwater sound one-way transmission device under linear system ) 是由 范鹤腾 张赛 邢佳丽 张凯凯 周俊 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：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<Sub>R</Sub>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。(The invention discloses an adjustable single-frequency underwater acoustic unidirectional transmission device under a linear system, which belongs to the field of acoustic metamaterials and is formed by coupling a one-dimensional periodic grating plate and an aluminum-water double-crystal structure; the aluminum-water double-crystal structure is formed by connecting two one-dimensional flow-solid phonon crystals with the periodicity of 5 in series at a certain interval, and a resonance cavity is formed at the interval part between the two single crystals. The invention realizes the unidirectional transmission of single-frequency sound waves, and can change the thickness d of the resonant cavity in the aluminum-water double-crystal structure R And adjusting the grid constant A of the one-dimensional periodic grid plate to select the frequency of one-way transmission, and the method can be applied to the fields of filtering of underwater sound waves, secret communication and the like.)

一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件

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。

进一步的，所述一维周期性栅格板与“铝-水”双晶结构之间的距离为d₀＝2mm；所述一维周期性栅格板的栅格常数A可调。

进一步的，所述一维周期性栅格板的固体板材料为不锈钢、铝或者铜；“铝-水”双晶结构的固体层材料为铝。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件，通过将一维周期性栅格板与由两个周期数为5的一维流-固声子晶体按一定间隔串联组成的“铝-水”双晶结构组合，一维周期性栅格板设置于“铝-水”双晶结构组一侧，实现了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体厚度以及调节所述一维周期性栅格板的栅格常数，来选择单向导通的单一频率，可应用于水声精准滤波、保密通讯等领域。

附图说明

图1为线性系统下的可调单频水声单向传输器件结构原理图。

图2(a)为栅格常数为A＝16mm时声波正向与反向垂直入射的声压分布图；图2(b)为栅格常数为A＝16mm时声波正向与反向垂直入射的透射曲线。

图3(a)为栅格常数为A₁＝20mm时声波正向垂直入射与反向垂直入射的声压分布图；图3(b)为栅格常数为A₁＝20mm时声波正向和反向垂直入射的透射曲线。

图4(a)为栅格常数为A₁＝22mm时声波正向垂直入射与反向垂直入射的声压分布图；图4(b)为栅格常数为A₁＝22mm时声波正向和反向垂直入射的透射曲线。

图5(a)为共振腔厚度为d_R＝8mm时声波正向垂直入射与反向垂直入射的声压分布图；图5(b)为共振腔厚度为d_R＝8mm时声波正向和反向垂直入射的透射曲线。

图6(a)为共振腔厚度为d_R＝6mm时声波正向垂直入射与反向垂直入射的声压分布图；图6(b)为共振腔厚度为d_R＝6mm时声波正向和反向垂直入射的透射曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的实施例1

结合附图1所示，一种线性系统下的可调单频水声单向传输器件，包括有一维周期性栅格板和“铝-水”双晶结构；所述“铝-水”双晶结构是由两个周期数为5的一维流-固声子晶体间隔一定距离组成，两单晶体中间间隔部分形成共振腔体；所述一维周期性栅格板位于“铝-水”双晶结构一侧。

其中，所述两个周期数为5的一维流-固声子晶体水层厚度均为d₁＝4mm，固体板厚度均为d₂＝4mm；所述一维周期性栅格板与“铝-水”双晶结构的距离为d₀＝2mm，所述一维周期性栅格板的横截面为长方形，其中高度h＝10mm，宽度w＝2mm；所述两单晶体之间的共振腔厚度d_R可调；所述一维周期性栅格板的栅格常数A可调。

本发明中，采用COMSOL Multiphysics有限元仿真建立线性系统下的可调单频水声单向传输器件模型。其中，“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的结构参数同该装置上述各参数。现保持“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的结构参数不变，即d₁＝4mm，d₂＝4mm，d₀＝2mm，h＝10mm，w＝2mm，选取栅格常数为A＝16mm，共振腔厚度为d_R＝12mm；“铝-水”双晶结构中固体板材料选用铝，一维周期性栅格板材料选用钢，计算时所用的材料声学参数分别为：铝的密度2700kg/m³，纵波声速6260m/s，横波声速3080m/s；钢的密度8900kg/m³，纵波声速4710m/s，横波声速2260m/s；水的密度1000kg/m³，声速1500m/s。

“铝-水”双晶结构中，由于两个“铝-水”单晶结构之间间距与单晶体的流体层厚度不同，引入了流体层厚度变化的缺陷，将引起双晶共振隧穿效应。此时，“铝-水”声子晶体的能带结构发生变化，在原有的第一布拉格禁带内产生了两条极窄的通带。同时，这两条窄通带在禁带内所处位置由共振腔厚度d_R决定，随着d_R增加，窄通带会向低频范围平移。在窄通带范围内，每单一频率下的声波仅对应单个特定的入射角度。由此，“铝-水”双晶结构将会对各方向入射的声波进行筛选，对于满足通带上入射条件的声波，能够通过“铝-水”双晶结构，反之将落入禁带中，无法通过。由此可以看出“铝-水”双晶结构中的共振遂穿效应对于声波的入射角度具有很高的依赖性，即实现声波导通的入射角度条件极为严苛。

本发明利用这一通带特性，可以实现对单频声波的单向传输。其中，一维周期性栅格板对于声波具有衍射作用，“铝-水”双晶结构能够改变声波入射至“铝-水”双晶结构时的角度，使之满足“铝-水”双晶结构中通带的入射条件，从而实现声波的单向导通。

将一维周期性栅格板设置于“铝-水”双晶结构一侧，当声波从正向垂直入射至一维周期性栅格板时，由于周期性栅格板会对入射声波产生衍射作用，形成多阶衍射波，从而改变入射声波的传播方向。衍射波方向满足如下一维周期性栅格板衍射方程：

A(sin θ_k-sin θ₀)＝kλ，k＝0，±1，±2，...

其中，θ_k为衍射波的角度，θ₀为入射波的角度，k为衍射波的阶数，λ为入射波的波长(由于在多阶衍射波中+1阶和-1阶的声波能量占总声波能量的主要部分，其余阶数的衍射波影响较小，因此这里k取±1)。不同栅格常数A下的一维周期性栅格板，对于同一频率的声波有不同的衍射效果，由此，可通过设置栅格常数A改变声波的衍射方向来满足“铝-水”双晶结构的通带特性，从而实现声波的单向传输。

采用有限元法建立线性系统下的可调单频水声单向传输器件模型。如图2所示，在仿真中，在以水、铝为介质的背景区域上下边界采用周期性条件，在以水为介质的背景区域两侧采用平面波辐射条件。图2(a)给出了频率为162293.52Hz的声波分别从正向和反向垂直入射至可调水声窄带单向传输器件时产生的声压场。其中，对于正向垂直入射的声波经过一维周期性栅格板的衍射作用改变其入射角度，满足“铝-水”双晶结构中通带的入射条件，使得原本处于第一布拉格禁带中的声波落入通带中，因而通过“铝-水”双晶结构，通过后的±1阶两束衍射声波发生相干叠加，使得右侧区域的声压场呈点阵分布；对于反向垂直入射的声波，不满足“铝-水”双晶结构中通带的入射条件，处于第一布拉格禁带中无法通过该器件。从图2的正向与反向入射的声压分布情况中可以看出明显的声波单向传输现象。

如图2(b)所示，给出了频率范围为158kHz-166kHz的声波正向和反向垂直入射的透射曲线。可以看出当162293.52Hz的声波正向垂直入射可调单频水声单向传输器件，此时声波由于一维周期性栅格板的衍射作用，处于第一布拉格禁带内的通带上，能够通过双晶结构，透射率高达61％。当频率为162293.52Hz的声波从反向垂直入射时，由于右侧存在为铝制固体板，对于入射声波近乎没有衍射作用。此时声波处于第一布拉格禁带内，透射率近乎为0，即声波无法通过“铝-水”双晶结构，进而实现了单一频率声波的单向传输。

实施例2

采用COMSOL Multiphysics有限元仿真建立线性系统下的可调单频水声单向传输器件模型。现保持“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的结构参数不变，即d₁＝4mm，d₂＝4mm，d_R＝12mm，h＝10mm，w＝2mm,选取栅格常数为A₁＝20mm。图3(a)给出了频率为150644.494Hz的声波正向和反向垂直入射的声压分布图，从图3的正向与反向入射的声压分布情况中可以看到明显的声波单向传输现象。如图3(b)所示，给出了在频率范围为150000Hz-152000Hz的声波分别正向和反向垂直入射的透射曲线。当声波正向垂直入射时，由于共振隧穿效应，对于频率为150644.494Hz的声波的正向透射率高达79％，而其余频率范围内的声波正向透射率几乎为零，即只有该频率的声波能够通过“铝-水”双晶结构；当声波从反向垂直入射时，处于“铝-水”双晶结构的禁带，入射声波无法通过该“铝-水”双晶结构，进而实现了单一频率声波的单向传输。

保持“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的材料参数不变，即d₁＝4mm，d₂＝4mm，d_R＝12mm，h＝10mm，w＝2mm,选取栅格常数为A₂＝22mm，图4(a)为频率为147052.782Hz的声波正向和反向垂直入射的声压分布图，从图4正向与反向入射的声压分布情况中可以看到明显的声波单向传输现象。如图4(b)所示，给出了在频率范围为144000Hz-150000Hz的声波正向和反向垂直入射的透射曲线。当声波正向垂直入射时，由于共振隧穿效应，对于频率为147052.782Hz的声波的正向透射率高达约67％，其余频率范围内的声波正向透射率几乎为零，即只有该频率的声波能够通过“铝-水”双晶结构；当声波从反向垂直入射时，处于“铝-水”双晶结构的禁带，入射声波无法通过该“铝-水”双晶结构，进而实现了单一频率声波的单向传输。

实施例3

采用COMSOL Multiphysics有限元仿真建立可调窄带单向传输器件模型。现保持“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的材料参数不变，即d₁＝4mm，d₂＝4mm，h＝10mm，w＝2mm，A＝16mm，选取共振腔厚度为d_R1＝8mm。图5(a)给出了频率为147315.4Hz的声波正向和反向垂直入射的声压分布图，从图5正向与反向入射的声压分布情况中可以看到明显的声波单向传输现象。如图5(b)所示，给出了在频率范围为144000Hz-150000Hz的声波分别正向和反向垂直入射的透射曲线。当声波正向垂直入射时，由于共振隧穿效应，对于频率为147315.4Hz的声波的正向透射率高达约78％，而其余频率范围内的声波正向透射率几乎为零，即只有该频率的声波能够通过“铝-水”双晶结构；当声波从反向垂直入射时，处于“铝-水”双晶结构的禁带，入射声波无法通过该“铝-水”双晶结构，进而实现了单一频率声波的单向传输。

保持“铝-水”双晶结构和一维周期性栅格板的材料参数不变，即d₁＝4mm，d₂＝4mm，A＝16mm，h＝10mm，w＝2mm，选取共振腔厚度为d_R2＝6mm。图6(a)表示频率为166758.3Hz的声波正向和反向垂直入射的声压分布图，从图6正向与反向入射的声压分布情况中可以看到明显的声波单向传输现象。如图6(b)所示，给出了在频率范围为162000Hz-170000Hz的声波正向和反向垂直入射的透射曲线。当声波正向垂直入射时，由于共振隧穿效应，对于频率为166758.3Hz的声波的正向透射率高达约60％，其余频率范围内的声波正向透射率几乎为零，即只有该频率的声波能够通过“铝-水”双晶结构；当声波从反向垂直入射时，处于“铝-水”双晶结构的禁带，入射声波无法通过该“铝-水”双晶结构，进而实现了单一频率声波的单向传输。

对比实施例1与实施例2可以看出，通过调节栅格常数A的大小，可以实现不同单一频率的声单向传输；对比实施例1与实施例3可以看出，通过调节共振腔厚度d_R，也可以选择不同单一频率的声波，实现声的单向传输现象。

这里需要强调，此结构中共振腔体的位置需处于“铝-水”双晶结构的中心位置；此外，共振腔体两侧单晶体的周期数需大于4。本发明具有很大的可调性与灵活性，设置的结构需要满足上述两个条件才能较好地实现单一频率的单向传输现象。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。