一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体及调节方法与流程

1.本发明涉及声子晶体领域，具体涉及一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体及调节方法。


背景技术：

2.声子晶体作为一种人工周期性结构的最大特点在于它的可设计性，对于声子晶体设计，一般是通过计算后选取相应的组成材料和结构参数。通常情况下，对于组元为普通材料的声子晶体来说，一旦加工制造出来，由于材料和结构参数被确定，其振动带隙的位置和宽度也是唯一确定的。当振源频率范围发生变化，声子晶体的带隙无法适应这种变化。如果能够在使用过程中根据需要人为改变带隙的大小和范围，将使声子晶体的带隙设计更为灵活,并由此带来新的应用方式。并且，在声子晶体的应用中，通常会根据需要在完美周期的声子晶体板中添加缺陷，在二维声子晶体中的点缺陷、线缺陷的人为制造，为声子晶体结构添加禁带和导波通道，从而达到控制声波传播的目的，动态的缺陷态设置对可调频的声滤波器、声谐振器等电子元件的设计具有重要的意义，从而达到动态控制声波传播的目的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体结构及调节方法，克服已有声子晶体的无法调节带隙、调节带隙范围窄、调节方式繁琐单一的不足。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体，包括散射体、定位装置、中心定位柱和步进电机，散射体由形状记忆合金制成，散射体呈长方体形式，长方体的边角为圆角，所述圆角的半径为r；所述中心定位柱设置在散射体一端，所述定位装置的中心设置有定位孔，所述中心定位柱穿过定位孔与步进电机连接。
6.优选地，所述形状记忆合金制成的散射体填充率为56％以上。
7.常规直角正方立柱为防止旋转时的相互干扰，其散射体的填充率f≤0.5(l为散射体的宽度，a为声子晶体原胞的晶格常数)，而当f≤0.5时会存在声子晶体的带隙较窄的问题。本发明对形状记忆合金的散射体进行圆角处理后，解决了散射体填充率f≤0.5的带隙较窄和f≥0.5散射体旋转时相互干扰的问题，同时可将散射体的填充率提高到0.56(虽然f会因((2r)2‑
πr2项减少，但因圆角的存在，l可以设定更大，f可增大)以上，实现了在旋转较小角度时即可实现带隙调节。
8.优选地，所述散射体还设有加热装置，加热装置通过导线与电源连接。
9.优选地，所述散射体的每个侧面均设有凹槽，槽宽为b，槽深为c。设置凹槽后虽然小范围地降低了散射体的填充率，但因降低了散射体的对称性，对弹性波传播的散射作用增强，声子晶体更容易出现带隙和产生更宽的带隙，且带隙在散射体不旋转时即可存在。设
有凹槽后填充率根据槽的大小而略有减小。
10.优选地，所述散射体周围填充流体基体，所述流体基体为气体或液体，所述液体为水或甲醇。所述基体的选取可以为空气、水等与散射体声阻抗相差较大、流动性好的流体材料，所述形状记忆合金为双程形状记忆合金。基体与形状记忆合金散射体的密度、杨氏模量、声阻抗等参数相差越大，越容易出现带隙。基体粘度较小时可以实现散射体旋转后不留间隙。
11.优选地，所述声子晶体为二维流/固型声子晶体，由多个散射体以正方晶格方式排列。
12.优选地，所述中心定位柱和步进电机之间还设置有传动机构。散射体在一排或一列旋转相同角度时，所述传动机构可提高旋转的效率和精度。
13.本发明还提供一种基于形状记忆合金的声子晶体带隙调节方法，通过步进电机带动散射体旋转和/或通过加热装置改变散射体温度调节上述声子晶体的带隙。
14.优选地，所述步进电机带动散射体旋转方式为：步进电机带动散射体合金旋转，使散射体旋转到预设角度，使声子晶体能带结构发生改变；所述预设角度由具体的点缺陷、线缺陷而定。
15.优选地，所述改变散射体温度方式为：通过加热装置加热散射体，当散射体温度达到a
s
(奥氏体转变开始的温度)时，散射体开始奥氏体相变，当散射体温度达到a
f
(奥氏体转变结束的温度)时，散射体结束奥氏体相变，此时杨氏模量发生对应的变化；所述散射体在降温过程中，散射体的杨氏模量将会发生相反的变化；所述杨氏模量变化会引起声子晶体能带结构发生改变；所述散射体杨氏模量的变化根据具体的点缺陷、线缺陷而定。
16.本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明创造性地对可旋转调节带隙的声子晶体正方散射体进行圆角处理，突破了可旋转正方散射体声子晶体填充率f≤0.5的带隙较窄的现象，将可旋转正方散射体声子晶体填充率提高到0.56以上，实现了在旋转更小角度时即可出现带隙。
18.2、本发明创造性地对散射体开设凹槽，虽小范围地降低了填充率，但却促进了带隙在不旋转时即可存在。
19.3、本发明利用了形状记忆合金在马氏体向奥氏体转变前后杨氏模量的大范围变化，与正方散射体的旋转共同调节声子晶体能带结构。
20.4、本发明调节方法具有调节能带宽、调节方式简单的特点，同时可用于声子晶体中点缺陷、线缺陷的设计，可为声子晶体结构添加禁带和导波通道，动态的缺陷态设置对可调频的声滤波器、声谐振器等电子元件的设计具有重要的意义，从而达到动态控制声波传播的目的。
附图说明
21.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
22.图1为本发明周期性单元的立体结构示意图。
23.图2为本发明二维声子晶体的周期性单元的排列示意图。
24.图3为本发明二维声子晶体原胞模型。
25.图4为本发明二维声子晶体散射体旋转0
°
，散射体为奥氏体时的能带结构。
26.图5为本发明二维声子晶体散射体旋转0
°
，散射体为马氏体时的能带结构。
27.图6为本发明二维声子晶体散射体旋转0
°
，散射体不设凹槽为马氏体时的能带结构。
28.图7为本发明二维声子晶体散射体旋转0
°
、15
°
、30
°
、45
°
时在γ
‑
x方向的传输曲线。
29.图8为本发明二维声子晶体散射体旋转45
°
，设置散射体旋转0
°
线缺陷的马氏体状态下声子晶体声压模态图。
具体实施例
30.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.实施例1：
32.一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体，包括正方晶格内置实心圆角矩形双程形状记忆合金制成的散射体1、流体基体、定位装置2、中心定位柱3、步进电机4、加热装置。所述散射体的填充率为56％以上。所述声子晶体结构为二维流/固型声子晶体由多个散射体以正方晶格方式排列，散射体的个数和排布方式根据需要提前设计。
33.参照图1立体结构示意图，一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体包括散射体1、定位装置2、中心定位柱3、步进电机4、流体基体。
34.参照图2二维声子晶体的周期性单元的排列示意图，一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体通过导线与电源连接。
35.所述散射体1为经圆角处理，这样可使得散射体1的填充率f≥0.56，解决了散射体1填充率f≤0.5时带隙较窄和f≥0.5时散射体1旋转相互干扰的问题，同时可将散射体1的填充率提高到0.56以上，可在旋转较小角度时即可实现较大范围的带隙调节。
36.所述加热装置通过导线与电源连接，散射体1通过加热装置加热实现从马氏体向奥氏体的转变，在转变中实现杨氏模量的变化以实现声子晶体带隙的调节。
37.所述散射体1设有凹槽，槽宽为b，槽深为c。开设凹槽后虽然小范围地降低了散射体1的填充率，但因降低了散射体的对称性，对弹性波传播的散射作用增强，声子晶体更容易出现带隙和产生更宽的带隙，且带隙在散射体1不旋转时即可存在。选取水为流体基体，散射体1在旋转后不留间隙。
38.参照图3二维声子晶体原胞模型，原胞模型晶格常数a，形状记忆合金散射体1边长为l，形状记忆合金散射体1圆角圆弧半径为r，形状记忆合金散射体1设有凹槽，槽宽为b，槽深为c。设有凹槽后填充率根据槽的大小而略有减小。
39.参照图5和图6，设有凹槽的模型与未设凹槽的模型相比，设有凹槽后模型的能带曲线降低了第一条完全带隙的频率，出现了第二条完全带隙，虽小范围的降低了原胞模型
的填充率，但因降低了原胞的对称性，得到了更优的声子晶体完全带隙。
40.所述定位装置2的材质为单相固体聚甲基丙烯酸甲酯，通过自动钻孔机或激光切割机对定位装置2提前加工定位孔，以确保散射体1的位置精度。在散射体1一端设置中心定位柱3，所述中心定位柱3穿过定位孔与步进电机4连接。步进电机4提供散射体1旋转的动力，以实现声子晶体带隙的调节。散射体1和步进电机4之间加入传动机构，当散射体1在一排或一列转动相同角度时，可提高旋转效率和精度。
41.实施例2：
42.一种基于形状记忆合金可调带隙的声子晶体的调节方法，上述声子晶体通过步进电机4带动散射体1旋转和/或通过改变散射体1温度实现声子晶体带隙的调节。
43.所述步进电机4带动散射体1旋转方式为：步进电机4带动散射体1合金旋转，使散射体1旋转到所需的角度，使声子晶体能带结构发生改变，实现声子晶体带隙的调节。所述预设角度由具体的点缺陷、线缺陷而定。
44.所述改变散射体1温度方式为：通过加热装置加热散射体1，当散射体1温度达到a
s
(奥氏体转变开始的温度)时，散射体1开始奥氏体相变，当散射体1温度达到a
f
(奥氏体转变结束的温度)时，散射体1结束奥氏体相变，此时杨氏模量发生对应的变化；所述散射体1在降温过程中，散射体1的杨氏模量将会发生相反的变化；所述杨氏模量变化会引起声子晶体能带结构发生改变。所述散射体杨氏模量的变化根据具体的点缺陷、线缺陷而定。
45.声子晶体带隙的调节通过旋转时散射体1对称性变化和温度改变时杨氏模量的变化共同作用实现。所述散射体1的旋转和温度改变可以同时进行获取所需的缺陷态频率。
46.参照图4和图5，形状记忆合金散射体1在旋转0
°
时，通过电流加热实现马氏体向奥氏体的转变即可实现带隙的调节。
47.参照图7，形状记忆合金散射体1在旋转0
°
、15
°
、30
°
、45
°
时及马氏体与奥氏体之间相互转化时，γ
‑
x间的方向带隙传输曲线可以看出该调节方式对能带曲线的调节作用十分明显。
48.参照图8，形状记忆合金散射体1旋转45
°
，设置散射体1旋转0
°
线缺陷的马氏体状态下声子晶体声压模态图，这样使得在缺陷态设置中更加的方便。可以通过马氏体与奥氏体的转变设置缺陷态，也可以两种方式同时使用，设计更多种类型的缺陷态。此实施方案对可调带隙的声子晶体调节方法简单，可设计性强。
49.本发明可以实现通过形状记忆合金由马氏体向奥氏体转变前后杨氏模量的大范围变化和散射体1的旋转共同调节声子晶体能带结构。通过步进电机4提供动力对散射体1进行旋转和通过加热装置对散射体1进行加热，调节能带结构中的带隙位置，并且可以制造声子晶体缺陷态结构，实现对声子晶体带隙的调节，带隙调节范围更宽，调节方式简单便利。
50.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。