基于迷宫结构的平面声单向器件

1.本实用新型涉及实现声波单向导通的声学器件-声单向器件。


背景技术：

2.声学是经典而常新的学科，然而，根据经典声学理论，声能量仅能对称传播，这反映在线性体系必须满足的声学互易原理，亦与日常生活形成的直觉一致：交换声源与听音者位置，似乎并不改变听音效果。作为标量波，声波缺乏电磁波特有的自旋等内禀自由度，无法简便的利用偏振效应实现单向操控。因此尽管声学是一个经典学科，声波的单向操控始终是一个基本难题。
3.电二极管是第一个实现对交流电压整流的器件，二极管的出现标志着现代电子学的开始，同时 也引发了人们对其他形式能量进行整流的研究。对于热能与孤立波的整流已经取得了显著成果，此后，对其他能量的整流现象的研究开始受到关注，因此，若能像电子二极管控制电流一样实现声波的整流，即声波分别由系统两侧入射时具有类似电子二极管一样的“单向导通”的透射特性，将成为声学研究一次意义重大的理论创新，其学术意义及应用价值的重要性是显而易见的。
4.随着科学技术的不断发展和科研技术的迅速提高，声二极管的研究开始引起学术界的广泛关注。2009年，由超晶格结构与强声学非线性媒质组成的“声二极管”理论模型首次被提出,该模型虽结构简单却可有效产生声整流效应，沿特定方向入射的声波可部分透过整个系统，而反向入射的声波则基本被反射，且透射声能量与入射声压间的关系与电子二极管的伏安关系极为相似。2010年，声二极管的示意性样品被成功制备，该样品由超声造影剂微泡溶液与一个超晶格结构水与玻璃层叠而成构成，实验结果证明其在医学超声常用的频段附近产生了近万倍的声整流效率。虽然前人已对声二极管进行了模型架构和理论建立，但对于其具体的应用和智能优化等相关方面的研究仍然非常欠缺，因此进行这方面研究的开展是非常必要的。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种基于迷宫结构的平面声单向器件，具有工作频带内正反向对比度高、正向透射率较高、能够在18500hz-22500hz之间达到声单向传输效果，并且结构平整化、轻薄化，是一种平面、宽带的声单向器件。
6.为实现上述目的，本实用新型的基于迷宫结构的平面声单向器件，包括内部填充有甲烷的壳体层，壳体层一侧具有迷宫结构层，迷宫结构层包括依次排列在壳体一侧面上的至少6个结构相同的迷宫单元；迷宫单元具有多个平行于壳体侧面的、并在垂直于壳体侧面的方向上依次排列的空隙层，一空隙层的两端分别与其相邻的左右两个空隙层的端部相通，连通的各空隙层形成了迷宫。
7.上述的平面声单向器件，迷宫单元在垂直于壳体侧面的方向上的长度为p，各空隙层在垂直于壳体侧面的方向上的宽度为d=0.067p，相邻空隙层之间的隔板厚度w=0.03p，隔
板在平行于壳体侧面上的长度为l=p，相邻空隙层的端部相通部分在平行于壳体侧面的方向上的长度为d，迷宫单元在平行于壳体侧面上的宽度a=l d 2w。
8.上述的平面声单向器件，迷宫单元是密度1300kg/m
³
、声速2500m/s的固体材料。
9.上述的平面声单向器件，所述甲烷密度0.78 kg/m
³
，声速467 m/s。
10.本实用新型的有益效果：本器件放置在空气中，在18500hz-22500hz之间，声波从迷宫结构层一侧入射时，无法透射，在壳体层一侧无声波。但声波从壳体层一侧入射时，可以透射，在迷宫结构层一侧有声波，本器件实现了以空气为背景的声单向传输效果。
附图说明
11.图1是平面声单向器件的示意图；
12.图2是一个迷宫单元的示意图；
13.图3是从迷宫结构层一侧入射的表面声压级仿真结果；
14.图4是从壳体层一侧入射的表面声压级仿真结果。
具体实施方式
15.参见图1、2所示的基于迷宫结构的平面声单向器件，包括内部填充有甲烷的壳体层，壳体层一侧具有迷宫结构层，迷宫结构层包括依次排列在壳体一侧面上的至少6个结构、尺寸均相同的迷宫单元。所述甲烷密度0.78 kg/m
³
，声波在该甲烷中的传播速度是467 m/s。
16.每个迷宫单元具有多个平行于壳体侧面的、并在垂直于壳体侧面的方向上依次排列的空隙层，一空隙层的两端分别与其相邻的左右两个空隙层的端部相通，连通的各空隙层形成了迷宫。
17.迷宫单元在垂直于壳体侧面的方向上的长度为p，各空隙层在垂直于壳体侧面的方向上的宽度为d=0.067p，相邻空隙层之间的隔板厚度w=0.03p，隔板在平行于壳体侧面上的长度为l=p，相邻空隙层的端部相通部分在平行于壳体侧面的方向上的长度为d，迷宫单元在平行于壳体侧面上的宽度a=l d 2w。
18.迷宫单元是密度1300kg/m
³
的3d打印材料，声波在该材料中的传播速度是2500m/s。
19.本器件放置在空气（密度1.21kg/m
³
，声速343m/s）中进行声波传播仿真测试，在18500hz-22500hz之间，声波从迷宫结构层一侧入射时，无法透射，在壳体层一侧无声波，参见图3。但声波从壳体层一侧入射时，可以透射，在迷宫结构层一侧有声波，参见图4。
20.图1中的结构由6个迷宫单元组成，6个迷宫单元构成一个周期，每个周期的纵向长度为s。当然，也可以多个周期结构。一个周期的开始与结尾的附加相位之差恰好为2π。


技术特征：
1.基于迷宫结构的平面声单向器件，其特征是：包括内部填充有甲烷的壳体层，壳体层一侧具有迷宫结构层，迷宫结构层包括依次排列在壳体一侧面上的至少6个结构相同的迷宫单元；迷宫单元具有多个平行于壳体侧面的、并在垂直于壳体侧面的方向上依次排列的空隙层，一空隙层的两端分别与其相邻的左右两个空隙层的端部相通，连通的各空隙层形成了迷宫。2.如权利要求1所述的平面声单向器件，其特征是：迷宫单元在垂直于壳体侧面的方向上的长度为p，各空隙层在垂直于壳体侧面的方向上的宽度为d=0.067p，相邻空隙层之间的隔板厚度w=0.03p，隔板在平行于壳体侧面上的长度为l=p，相邻空隙层的端部相通部分在平行于壳体侧面的方向上的长度为d，迷宫单元在平行于壳体侧面上的宽度a=l d 2w。3.如权利要求1所述的平面声单向器件，其特征是：迷宫单元是密度1300kg/m
³
、声速2500m/s的固体材料。4.如权利要求1所述的平面声单向器件，其特征是：所述甲烷密度0.78 kg/m
³
，声速467 m/s。

技术总结
本实用新型提供一种基于迷宫结构的平面声单向器件，具有工作频带内正反向对比度高、正向透射率较高、能够在18500Hz-22500Hz之间达到声单向传输效果，并且结构平整化、轻薄化，是一种平面、宽带的声单向器件。它包括内部填充有甲烷的壳体层，壳体层一侧具有迷宫结构层，迷宫结构层包括依次排列在壳体一侧面上的至少6个结构相同的迷宫单元；迷宫单元具有多个平行于壳体侧面的、并在垂直于壳体侧面的方向上依次排列的空隙层，一空隙层的两端分别与其相邻的左右两个空隙层的端部相通，连通的各空隙层形成了迷宫。空隙层形成了迷宫。空隙层形成了迷宫。


技术研发人员：钱宇航 匡盼盼 李明月 胡洁
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2022.04.01
技术公布日：2022/7/29