一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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ρ
11
和ρ
22
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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.针对上述目的，本发明提出如下技术方案：
8.一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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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ρ
11
和ρ
22
异号进行调节。
13.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。
14.本发明基于双模态四分之一波长阻抗匹配理论或跨模态法布里珀罗干涉理论设计模态转换弹性超材料单胞，双模态四分之一波长阻抗匹配理论的基本条件如下：
15.双模态四分之一波长相位匹配条件
[0016][0017]
式中：d为模态转换弹性超材料(2)的宽度，m＝1，3，5...，n
fs
、n
ss
是互素整数，λ
fs
、λ
ss
分别为模态转换弹性超材料(2)中快斜模态和慢斜模态的波长；
[0018]
双模态四分之一波长阻抗匹配条件
[0019][0020]
式中：分别为模态转换弹性超材料(2)、各向同性背景介质(3)的双模态阻抗；
[0021]
极化条件
[0022]
快斜模态与慢斜模态的极化方向分别沿正负45
°
方向；
[0023]
跨模态法布里珀罗干涉理论的基本条件如下：
[0024]
n
fs
n
ss
＝odd式中：d为模态转换弹性超材料(2)的宽度，m＝1，3，5...，n
fs
、n
ss
是互素整数，λ
fs
、λ
ss
分别为模态转换弹性超材料(2)中快斜模态和慢斜模态的波长；
[0025]
极化条件
[0026]
快斜模态与慢斜模态的极化方向分别沿正负45
°
方向。
[0027]
一种弹性波单向传输方法，通过上述二极管进行，以纵波为例，当纵向振动信号通过各向同性背景介质输入类流体弹性超材料一侧，并且纵波频率处于类流体弹性超材料的极化通带内时，纵波可以通过类流体弹性超材料，并经过模态转换弹性超材料转换成横波，通过各向同性背景介质输出。当纵向振动信号从模态转换弹性超材料一侧输入时，纵波通过模态转换弹性超材料转换成横波，由于转换得到的横波的频率处于类流体弹性超材料的带隙内，横波被反射回去，从而实现纵波的单向传输。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0029]
本发明弹性波二极管通过结合类流体弹性超材料和模态转换弹性超材料提高了弹性波单向传输的效率。
[0030]
进一步的，在特定频率范围内，类流体弹性超材料中仅纵波能够通过，因此，本发明提供了一种弹性波筛选功能，可以用于特定频率范围内纵波和横波的分离。
附图说明
[0031]
图1是本发明弹性波二极管的整体装配示意图；
[0032]
图2是本发明的类流体弹性超材料示意图；
[0033]
图3是本发明的模态转换弹性超材料示意图；
[0034]
图4是本发明在纵波入射下横波和纵波的反射率和透射率变化图；
[0035]
图5是本发明在横波入射下横波和纵波的反射率和透射率变化图；
[0036]
附图标记说明如下:
[0037]1‑
类流体弹性超材料，2
‑
模态转换弹性超材料，3
‑
各向同性背景介质，4
‑
环氧树脂，5
‑
橡胶，6
‑
铅。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图来对本发明作进一步的说明。
[0039]
参照图1，本发明的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1、模态转换弹性超材料2和各向同性背景介质3。类流体弹性超材料1一侧与用于输入/输出振动信号的各向同性背景介质3连接，另一侧与模态转换弹性超材料2连接，模态转换弹性超材料2的另一侧与用于输出/输入振动信号的各向同性背景介质3连接。
[0040]
参照图2和图3，类流体弹性超材料1和模态转换弹性超材料2分别由其单胞沿所在平面的横向和纵向周期性排列得到，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。
[0041]
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4，中间层材料为橡胶5，包裹着最内层的铅核6；
[0042]
类流体弹性超材料1的单胞中沿铅核6的上下、左右方向，在橡胶5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ρ
11
和ρ
22
异号进行调节。
[0043]
模态转换弹性超材料2的单胞中沿铅核6的正负45度方向，在橡胶5包裹层中分别开了不同大小的圆孔。
[0044]
模态转换超材料2的单胞基于双模态四分之一波长阻抗匹配理论或跨模态法布里珀罗干涉理论设计，双模态四分之一波长阻抗匹配理论的基本条件如下：
[0045]
双模态四分之一波长相位匹配条件
[0046][0047]
式中：d为模态转换弹性超材料(2)的宽度，m＝1，3，5...，n
fs
、n
ss
是互素整数，λ
fs
、λ
ss
分别为模态转换弹性超材料(2)中快斜模态和慢斜模态的波长；
[0048]
双模态四分之一波长阻抗匹配条件
[0049][0050]
式中：分别为模态转换弹性超材料(2)、各向同性背景介质(3)的双模态阻抗；
[0051]
极化条件
[0052]
快斜模态与慢斜模态的极化方向分别沿正负45
°
方向；
[0053]
跨模态法布里珀罗干涉理论的基本条件如下：
[0054]
n
fs
n
ss
＝odd
[0055]
式中：d为模态转换弹性超材料(2)的宽度，m＝1，3，5...，n
fs
、n
ss
是互素整数，λ
fs
、λ
ss
分别为模态转换弹性超材料(2)中快斜模态和慢斜模态的波长；
[0056]
极化条件
[0057]
快斜模态与慢斜模态的极化方向分别沿正负45
°
方向。
[0058]
以某一尺寸的弹性波二极管为例，类流体弹性超材料1由15个类流体单胞沿纵向方向依次相连而成，模态转换弹性超材料2由20个模态转换单胞沿纵向方向依次相连而成，类流体弹性超材料1和模态转换弹性超材料2的上下边界施加floquet周期性边界条件，通过各向同性背景介质3向类流体弹性超材料1一侧输入频率范围为65hz到70hz的纵向激励，参照图4，纵波反射率逐渐降低，从68hz开始，纵波频率处于类流体弹性超材料1的极化通带内，因此，纵波可以通过类流体弹性超材料1，经过模态转换弹性超材料2转换成横波并通过各向同性背景介质3输出，在69.7hz附近通过模态转换得到的横波的传输效率达到百分之90；通过各向同性背景介质3向类流体弹性超材料1一侧输入频率范围为65hz到70hz的横向激励，参照图5，从68hz开始，横波反射率逐渐增大，在68.3hz和70hz频率范围内，横波反射率达到了百分之百。因此，68hz到70hz频率范围为类流体弹性超材料1的纵波通带，在该段频率范围内，仅纵波可以通过，而横波无法通过类流体弹性超材料1，并且在69.7hz附近由模态转换得到的横波的透射率达到了百分之90，体现了该二极管较高的传输效率。
[0059]
参照图1至图5，本发明的基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管的工作过程如下：
[0060]
本发明的基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管在特定频率范围内能够实现纵波和横波的非互易传输。向左侧各向同性背景介质3输入一个纵向激励，纵波频率处于类流体弹性超材料1的纵波通带内，故纵波可以通过类流体弹性超材料1传输到模态转换弹性超材料2中，纵波经过模态转换弹性超材料2转换成横波，通过右侧的各向同性背景介质3输出。若向右侧各向同性背景介质3输入一个与上述纵波同频的纵向激励，纵波通过模态转换弹性超材料2转换成横波，由于该频率下的横波处于类流体弹性超材料1的带隙中，因此，横波在类流体弹性超材料1的边界处被反射回去。从而实现了纵波的非互易传输，对横波亦如此。